基于一種四維憶阻超混沌系統(tǒng)的圖像加密算法

閆少輝 顧斌賢 宋震龍 施萬(wàn)林

摘要： 鑒于低維混沌的圖像加密算法存在密鑰空間小、安全性不高等問題，通過引入光滑三次型憶阻器，構(gòu)建一個(gè)改進(jìn)的四維憶阻超混沌系統(tǒng)。對(duì)改進(jìn)系統(tǒng)的相圖、耗散性、平衡點(diǎn)穩(wěn)定性、Lyapunov指數(shù)譜和分岔等進(jìn)行數(shù)值仿真與分析，表明該系統(tǒng)具有豐富的動(dòng)力學(xué)行為與混沌特性。并提出一種通過哈希算法進(jìn)行混沌序列選擇的加密算法。經(jīng)過直方圖、密鑰空間分析、魯棒性分析等實(shí)驗(yàn)仿真，表明該圖像加密算法密鑰空間較大，可以有效抵御暴力窮舉等惡意攻擊，具有較高的安全性。

關(guān)鍵詞： 憶阻器；超混沌系統(tǒng)；動(dòng)力學(xué)特性；圖像加密；哈希算法

中圖分類號(hào)： TP309.7；O415.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

收稿日期： 2021-09-15；修回日期：2021-12-24

基金項(xiàng)目： 甘肅省自然科學(xué)基金（20JR5RA531）

第一作者： 閆少輝（1980-），女，甘肅鎮(zhèn)原人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榉蔷€性電路及應(yīng)用。

Image Encryption Algorithm Based on a Four-dimensional Memristor Hyperchaotic System

YAN Shaohui， GU Binxiana， SONG Zhenlonga， SHI Wanlina

（a. College of Physics and Electronic Engineering;

b. Engineering Research Center of Gansu Province for Intelligent Information Technology and Application， Northwest Normal University， Lanzhou 730070， China）

Abstract：The image encryption algorithm based on low dimensional chaotic system has the problems of the key space small and the security not high. In this paper， an improved four-dimensional Lorenz dissipative hyperchaotic system is constructed by introducing a cubic smooth memristor model. The dynamic characteristics of the improved system such as phase portraits， dissipation， equilibrium stability， Lyapunov exponent， and bifurcation are investigated， it is proved that the system has good dynamic characteristics and chaotic attractor. Therefore， a chaotic sequence encryption algorithm based on Hash algorithm is proposed. By histogram， key space analysis，robust analysis and other verifications show that the image encryption algorithm has higher key space and can resist brute-force attack.

Key words： memristor; hyperchaotic system; dynamic characteristic; image encryption; hash algorithm

0 引言

1971年，蔡少棠教授基于電路對(duì)稱性理論推導(dǎo)出了憶阻器的存在［12］。憶阻器作為第四種基本電路元件，因具有無(wú)源以及電荷記憶特性，成為實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)計(jì)算、仿生智能的關(guān)鍵器件，從而引起許多研究團(tuán)隊(duì)的興趣［36］。同時(shí)它還具有非線性輸入輸出特性，在混沌電路中能夠產(chǎn)生復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)行為。

1989年，Matthews R首次通過Logistic映射產(chǎn)生大量的偽隨機(jī)數(shù)據(jù)［7］。從此，混沌系統(tǒng)開始與加密系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，開創(chuàng)了混沌系統(tǒng)產(chǎn)生偽隨機(jī)數(shù)的新方法，Logistic混沌系統(tǒng)、Lorenz混沌系統(tǒng)逐漸在圖像加密中得到應(yīng)用［8］。

研究者們基于典型的Lorenz混沌系統(tǒng)，提出多種新型混沌系統(tǒng)，如經(jīng)典的Chen系統(tǒng)、Lü系統(tǒng)等［911］都被應(yīng)用到圖像加密中。文獻(xiàn)［12］、［13］利用混沌的偽隨機(jī)特性，提出的圖像加密算法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是密鑰空間太小，并且已經(jīng)有很多對(duì)低維混沌加密方案的破解方法［14］。相較于低維混沌系統(tǒng)，高維混沌系統(tǒng)具有更復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)行為以及更好的隨機(jī)性。具有2個(gè)或2個(gè)以上大于零的Lyapunov指數(shù)的超混沌系統(tǒng)越來(lái)越受到人們的關(guān)注［1516］。本文通過替換文獻(xiàn)［17］中系統(tǒng)的憶阻器模型，構(gòu)建了一個(gè)憶阻超混沌系統(tǒng)。通過哈希算法生成系統(tǒng)初始值、迭代倍數(shù)和混沌序列的隨機(jī)選擇，使得密碼系統(tǒng)可有效抵抗選擇明文攻擊和已知明文攻擊。

5 結(jié)論

本文通過引用光滑三次型憶阻器構(gòu)建了一個(gè)改進(jìn)的四維超混沌系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的相圖、Lyapunov指數(shù)和分岔等動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，結(jié)果表明該系統(tǒng)具有超混沌特性。然后將此超混沌系統(tǒng)應(yīng)用在新型圖像加密系統(tǒng)上，加密前通過哈希算法產(chǎn)生混沌系統(tǒng)的初始值、迭代次數(shù)和置亂倍數(shù)，在混沌發(fā)生器產(chǎn)生偽隨機(jī)序列后進(jìn)行序列的選擇。最后采用選取的混沌序列進(jìn)行置亂-對(duì)角翻轉(zhuǎn)-擴(kuò)散-循環(huán)移位-上下翻轉(zhuǎn)操作得到加密圖像。最后，通過直方圖分析、信息熵分析、魯棒性分析等驗(yàn)證，表明該圖像加密算法具有密鑰空間較大，加密后相關(guān)性較小、抗干擾能力強(qiáng)、信息熵接近理論值，加密性能好等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于圖像加密領(lǐng)域。

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（責(zé)任編輯 耿金花）