基五维CNNS盒图加密算法
目前针场景设计研究出种基混沌图加密算法取俗研究成果然图加密算法存足处基次密加密方式产生机输出类机输出通机密匙形式体现出没解决保存分发密钥难点Bit规加密需进行量运算难应实际图加密中基机技术图加密方式选明文关密钥加密算法明文敏感性较弱基伪DNA序列混沌映射结合图加密算法然相易实现存DNA编码规限难抵挡破解者穷举攻击[30][31][32][33]相关专家学者然断研究新图加密方法传统种加密算法进行改进文针目前低维混沌算法存明显缺点提出种基五维CNN超混沌S盒结合图加密算法通仿真实验表明该算法够效抵挡明文(密文)攻击实现次密拥更加密钥空间具优良加密效果
31细胞神网络数学模型
ChuaYang1988年首次提出种局部互连神网络系统称细胞神网络()研究表明CNN具良机特性产生复杂度高混沌行基CNN混沌系统适图处理模式识等领域[35]产生具类噪音机性长期演变轨道预测等特性混沌信号
311CNN模型结构
CNN基单元称细胞中细胞成简单非线性阶电路细胞电路相中包括电阻线性电容压控电源等元器件规模
细胞神网络排列成M行N列表示第i行第j列细胞图24展示规模细胞神网络等效电路图25示
图24
图25细胞等效电路图
CNN中神元细胞r邻域范围神元细胞相连接范围外细胞相连细胞神网络维数定义意维维情况低维结果推广出细胞邻域定义：
(24)
符号Nr(ij)表示细胞c(ij)半径r邻域C(kl)表示细胞c(ij)r邻域细胞
312CNN状态方程
根图25出CNN中细胞C(ij)等效电路图细胞C(ij)恒定外界输入阈值状态变量输出细胞C(ij)状态方程[29]
阶非线性微分方程形式表示：
(25)
输出方程：
(26)
简化CNN状态方程般表达式：
中状态变量j细胞记号门限值常数分连接状态变量细胞输出线性组合细胞输出电路状态相关
313五维细胞神网络混沌系统
质说CNN种神网络系统实现局部互联目前已应模式识图处理等方面取成果运行机理较复杂属动力学行中种够实时处理信号概念Chua1988年率先提出应图加密方面通量实验表明选取参数合适范围够产生应图加密算法混沌序列扩算法密钥空间防止破解振亚等早1999年发现混沌现象产生三细胞CNN系统中然前提条件保证取参数合理续刘玉明等学者验证说法四维CNN产生超混沌序列应图加密中超混沌序列仅4细胞产生[34]低维CNN混沌系统参数少产生密钥空间相够受密码破解者穷举攻击明文攻击时易抵抗高维CNN生成超混沌行够拥更控参数实时性然益种混沌行更高复杂程度文引文献[35][36]五维细胞神网络模型选取五神元组成神网络模型动力学方程式示：
(31)
中n取值5取值1取值取值取值取值取值取值
取值取值余参数取值均0五维CNN系统式(32)示：
(32)
时系统具两正指数五维CNN系统表现出超混沌状态
部分混沌序列相图：
(a)超混沌XY相图(b)超混沌YZ相图
图31五维CNN超混沌相图
混沌系统作种非线性动力系统系统初始值极端敏感具类机运动长期运动轨迹确定性等特性产生超混度序列适合应设计图加密算法中CNN模型产生混沌序列设计图加密算法优点表现[29]：（1）CNN具形式简单方程选取参数合理范围产生复杂混沌序列（2）CNN方程中参数相较足产生足够密钥空间改善般混沌加密算法密钥空间相较问题（3）CNN方程直接产生机矩阵该矩阵机性较应图加密算法程中年越越专家学者超混沌系统产生序列应图加密算法中取丰硕成果CNN生成超混沌序列条件细胞参数数达四相低维混沌系统产生混沌序列某情形会退化短周期序列失混沌特性超混沌序列密钥身复杂性更高加强混沌图加密算法安全性利非线性动力学行产生更密钥空间更容易遭破解章提出种基五维CNN产生超混沌序列SHA256算法S盒结合彩色图加密算法密钥明文敏感减少相邻图素关系效抵抗明文(密文)攻击差分攻击算法安全性提高
32SHA256算法
Hash函数保证数完整性提供完整安全服务数字签名身份认证等领域着广泛应意长度输入消息文图等压缩成长度固定字符串(称消息摘)输出输入消息输出消息摘截然标准Hash函数中SHA2系列作SHA家族非常重分支美国国家安全局设计该系列组成算法包括SHA224SHA256SHA384SHA512等等该系列算法安全协议应
Sha256种单hash函数意长输入信息转化成固定长消息摘程法消息摘逆恢复原文信息首先输入信息进行预处理原文数填充算法块整数倍根预定义块划分成N消息块设置hash初始值然进行消息块计算步骤利作初始值消息块进行迭代第数块迭代算法H(1)H(1)第二数块进行迭代算法H(2)次进行消息块处理完832bitH(N)连接成256bit消息摘
利SHA256明文256位hash值构造图加密置乱步骤初始参数扩散密钥达加密步骤明文相关目
33S盒相关理
S盒初应算法中称置换盒DESAES算法普受关注作许分组密码系统中非线性部件S盒相关性密码系统整体安全性加密效果密切相关通种方式设计出非线性度较高抵御差分攻击S盒具性优异分组密码算法前提算法设计中难点
S盒质做映射般通查表方式实现表存储量特参数nm选择时S盒非线性时密码破解者想通统计特性分析破解十分困难方面nm值设置S盒设计带困难增加算法存储量图出16进制S盒
传统密码学算法AES等中S盒实现转换具较高执行效率S盒容固定统永久变容易攻击者利混沌模型具机性初始值极端敏感性长期演化轨道预测性盒非线性等广泛构造S盒基考虑利高维CNN系统产生混沌序列构造超混沌动态S盒克服传统S盒固定单易攻击者破解缺点效提高算法安全性
34算法描述
文首先利SHA256明文图产生256位二进制hash值构造logitstic混沌系统初始值产生混沌序列相关序列分图RGB分量进行置乱然五维CNN系统模型生成相关混沌序列利产生混沌序列构造超混沌s盒置乱图素换操作合进行扩散终密文图
331基Logistic映射素置乱
针Logistic初始值敏感特点考虑利SHA256产生hash值构造Logistic初始值明文更敏感原始图三基色分开面公式生成新基色矩阵
(1)(2)(3)
图基色分量RGB进行置乱操作Logistic混沌映射产生加密序列分成三类xyz作置乱矩阵利面式生成加密密钥
(33)
32知SHA256广泛加密哈希函数加密会生成256位二进制哈希值通常表现64位编码十六进制串数字文256位外部密钥K分8块32分段密钥
分段密钥构造logistic映射置乱初始值加密步骤明文相关目具体关系见式(34)：
(34)
中定初始值作扩散操作密钥
素置乱程预迭代Logistic混沌系统1000次消暂态应带良影响Logistic映射生成混沌序列根式数值范围设置[0255]次记作
(35)
明文图分离基色矩阵进行异操作RGB三色置乱图
332超混沌动态S盒构造
利五维CNN产生超混沌序列构造S盒RGB分量图进项素换假设图RGB分量mn设图素sum明文相关混沌控制参数a中：
(36)
Step1：五维CNN系统根定初始值迭代产生混沌序列a时刻开始提取1616混沌数保证选取数重复范围0255选取值前面重复时舍
Step2：生成S盒具更高复杂性安全性述序列放1616矩阵构造超混沌S盒然该S盒置乱RGB分量矩阵进行素值换该S盒拥原S盒更加密钥空间S盒容会根加密轮数变化更改效抵抗穷举等暴力破解攻击方式
333扩散操作
外针原算法扩散操作采简单异操作容易遭选择明文攻击章采种明文相关加取模扩散算法该算法引入密文扩散机制密文明文密钥间具更复杂非线性关系
正扩散算法逆算法公式：
1i(37)
中扩散操作初始密钥知扩散操作需进行轮密文图述加密公式出前密文素加密素进行模加法运算非线性逆解密难度
334加密解密原理
设明文图I表示256256彩色图a明文图相关控制参数明文图信息相关实验程中加密系统初始密钥Logistic混沌系统中＝03428765321＝04638426914＝02965413458混沌映射控制参数设置加密算法程图3示加密步骤：
Step1：输入彩色图I分离图获RGB三基色分量
Step2：根331述原理SHA256明文图产生hash值构造Logistic混沌初始值相关控制参数然产生序列分RGB图进行异素置乱图RGB三色置乱图
Step3：五初始值明文相关参数a作五维CNN系统密钥迭代2000次消暂态应带良影响五维CNN生成系列混沌序列XYZUV生成混沌序序列取值范围0255分混沌序列进行放倍数取整256求余序列
Step4：进行超混沌S盒变换提取混沌序列X第aa+1616数遇重复值舍混沌序列数皆相根前面332方法构造超混沌S盒提取密文元素值前四位作S盒行数四位作S盒列数该元素值S盒应位置值进行代理图进行操作密文矩阵
Step5：进行行置乱列置乱操作分密文第行行素值r第列c作作开始时刻分选取混沌序列YZ256混沌数行置乱序列列置乱序列分分加密矩阵进行行列址变换生成图矩阵
Step6：扩散操作a时刻UV序列提取256256数图矩阵行优先展开根333进行扩散操作行优先展开终密文
Step7循环进行Step4Step6S轮整合密文矩阵终加密图D
加密流程图图41示：
图32加密流程图
解密加密逆操作
34章结
混沌理年图加密通信等领域广泛应着专家学者混沌深入研究取越越成果然基混沌图加密方案具部分缺点密文明文敏感性高密钥空间相等文提出种基五维CNN超混沌s盒结合图加密算法．该算法两方面特点：第文高维CNN混沌系统产生混沌序列设计加密方案相低维混沌系统具生成更加复杂混沌序列密钥空间更第二该算法加密程CNN超混沌序列构造S盒该s盒结合超混沌系统复杂性密钥敏感性等特点超混沌S盒伴加密轮数改变改变S盒容易破解效提高算法抵抗差分攻击力
第四章实验仿真结果分析
41仿真结果
选取尺寸Peppers彩色图作验证算法明文图分图示选取五维CNN系统初始值(0102020202)实验应台Matlab2015a图41分表示加密前明文图密文图根加密效果分析基出明文图明显相关关系密文图整体显示雪花点知该算法明文彩图良加密效果
(a)明文图
(b)密文图
图41
42统计特性分析
421信息熵分析
信息熵检验信息机性种重测量指标概念Shannon概念早提出信息熵反映图信息确定性般认熵越确定性越视信息越少理想密文信息熵应接８密文图更加难破解表42显示明文图加密图文献RGB分量信息熵出加密密文信息熵接8说明文加密算法效提高密文图信息熵减少信息泄露性
信息熵计算公式式子45示：
(45)
里L图灰度等级数表示灰度值i出现概率
表42明文密文信息熵
算法
信息熵
密文图
R分量
G分量
B分量
R分量
G分量
B分量
明文图
74140
72630
68705
加密图
79974
79962
79968
00467
00028
00065
文献[42]
79951
79970
79941
00032
00052
00471
文献[43]
79967
79973
79960
422直方图分析
图直方图表示图素分布特征中横坐标素值坐标表示素出现频率加密图具直方图分布越均匀越抵抗种统计攻击图42示加密前明文图RGB分量素值分布相明显直方图素值分布波动性较密文攻击者容易进行统计分析破解加密密文RGB信息值图变化没明显波动分布相均匀密文攻击者法通统计特性分析获取密文素值相关信息
(a) (b)(c)
(d)(e)(f)
图42明文密文图直方图
(a)(b)(c)分明文图GRB分量直方图
(d)(e)(f)分密文图GRB分量直方图
423相邻素相关性分析
理想加密算法应方相邻素低相关性抵抗统计攻击原始明文图相邻素水垂直角线方具高相关性种情况原始明文图难抵抗统计特性分析根加密前图选择角方相邻素公式（41）（44）计算相关性：
(41)
(42)
(43)
(44)
中xy分表示图中两相邻素值两相邻素相关系数分明文图密文图角方中选择3000组相邻素分析相关性方相邻素机抽取正图43示原始明文图中相邻素分布高度集中意味着原始明文图具强相关性密文图相邻素分布相分散规律寻说明相邻点素值没明显关系
(a)(b)(c)
(d)(e)(f)
图43相邻角线素相关性
(a)(b)(c)
(d)(e)(f)
然分密文图RGB分量方选取全部素点计算相关系数取RGB分量方相关系数均值作较结果明文文献加密算法结果进行表41知加密图相关系数基接0说明密文图相邻素没关系说明加密图相关信息隐藏算法效抵抗统计攻击原始明文图相邻素相关系数接1说明明文图相邻素具较高相关性容易遭统计特性攻击
算法
方
密文图
水方
垂直方
角方
R分量
G分量
B分量
明文图
09496
09622
08973
00467
00028
00065
文算法
00032
00052
00271
00032
00052
00471
文献[38]
00056
00011
00037
文献[39]
00164
000624
00071
文献[40]
00041
00019
00068
文献[41]
00268
000625
000322
43安全性分析
431—次密分析
算法通SHA256明文图产生256位hash值logistic映射初始值该映射产生混沌序列明文图置乱加密系统密钥混沌序列明文图密切关系明文图生成置乱矩阵完全生成密钥混沌序列明文图息息相关外五维CNN超混沌序列构造S盒会着加密轮数改变发生变化算法生成密钥混沌序列根明文图特性相关次密钥定条件攻击者获次进行加密时密钥变化次加密密文图然手效提髙算法安全性
432密钥空间分析
抵挡暴力破解攻击图加密算法应具极密钥空间文SHA256产生hash值产生logistic混沌产生图置乱3初始参数效数达1012位外根五维CNN系统5初始密钥明文相关系统控制参数a算法密钥空间达密钥空间暴力方法穷举分析法原明文图侧面说明文图加密算法够效抵抗种暴力破解攻击提高加密图安全性
433密钥敏感性分析
五维CNN混沌系统5初始值作密钥密钥高度敏感性意味着定解密密钥旦发生轻微变化会导致解密程出错充满雪花点图法正确明文图实验仿真中图44（a）示CNN混沌系统密钥改条件保持变解密图44（b）示密钥改图44（c）示解密图面分析知该算法系统初始密钥极端敏感性密钥发生微改变会导致解密失败
434抗差分攻击分析
明文敏感性指明文图发生细变化会导致密文图发生显著改变素值变化率（）化均变化强度（）明文敏感性分析常两指标[44][45]NPCR表示较两幅图相应位置素点值记录素点数占全部素点例UACI表示较两幅图相应位置素点值记录差值然计算全部差值差值(255)值均值里P1P2两幅加密图P1P2相应明文图十分接素点值相差1D（ij）0否D（ij）1计算公式分见（46）（47）MN分表示图行列：
（46）
（47）
NPCR期值100越接表明加密算法明文图变化更敏感效抵抗明文攻击UACI理想值3333越接表明算法效抵抗差分攻击R分量位置（12）素点素值增加1然通式子计算出认该算法具强明文敏感性够效抵抗差分攻击
表43图NPCRUACI参数值
图
NPCR（）
UACI（）
R分量
G分量
B分量
R分量
G分量
B分量
Peppers
996336
987665
991217
334862
333428
324684
Sailboatonlake
996253
996223
995826
324798
335854
324126
Lena
995837
994282
996173
336846
324132
334115
435典攻击分析
选择明文攻击()指密码破解者清楚知道整套加密流程情况攻击者通种攻击分析求解密钥显然选择明文攻击种相效攻击方式成判断图加密算法否拥优良加密性准
密码破解者根明文图信息发生细微变化推出算法流程破解整加密算法通常会选择解密图尺寸致图作明文图追踪素点灰度值变化素值设置100然通逐渐更改该图素点值进行加密攻击者通分析明文图信息密文图相应素值变化规律推算出明文—密文相应素点关系通种方式原始图破解成[46]
算法加密程中基SHA256明文图产生hash值作logistic混沌系统初始值加密图明文相关明文图发生微改变hash值会改变通密文图素值变化难推测出明文图规律然算法加密程中加入明文素值相关相关a作系统控制参数明文信息发生微变化通式子（36）知素值总发生放10000倍操作导致整加密程发生显著变化外算法超混沌序列构造动态S盒素值进行换S盒伴加密轮数改变改变轮变化皆前轮加密信息关增加破解难度综述文加密方法够效抵抗选择明文（密文）攻击
436抗裁剪攻击分析
实际应中部分加密图传输程中丢失Peppers彩色图加密密文图选择四密文图边缘机素方块区域区域素值改1图45(a)示然加密算法裁剪密文图进行解密解密图图45(b)示明文图轮廓清晰见没图素损失出现严重失真情况换言密文图素信息缺失达6左右情况算法然效原明文图部分素信息表明算法效抵抗剪切噪声攻击
(a)密文裁剪图
(b)明文恢复图
图45丢失6密文信息Peppers解密图
44章结
章第三章研究基础采五维CNN超混沌系统结合S盒设计种图加密算法安全哈希算法SHA256明文图产生256位二进制哈希值构造混沌系统控制参数中利改进Logistic置乱图进行素位置置乱截取部分超混沌序列构造超混沌S盒图进行素换处理加密图扩散操作整合成终密文图仿真实验数分析表明该算法密钥空间巨明文密钥极敏感密文图机分布效抵抗差分攻击算法加密性良
第五章图加密系统实现
51开发环境
第四章实验仿真基MATLAB台模拟实现图加解密操作适合普通户章设计基C#语言OSLO全称：微软开发求解常微分方程数值解开源类库实现第三四章功图加解密系统功彩色图进行加密解密操作系统提供视化界面方便户进行图加密解密操作结果查般应彩色图片图加密
52系统整体设计实现
521系统整体功设计
系统基第三章算法第四章试验仿真做系统设计：
基五维细胞神网络S盒结合超混沌图加密算法图进行加密程解密加密逆程
整体功图示系统界面图51示
图51系统功图
Fig51Systemfunctionchart
（1）图加密模块
输入密钥明图：户系统输入5五维CNN系统数字作初始密钥张明文图点击加密钮系统根密钥明文图进行加密操作
系统加密程：系统接收密钥加密轮次明文图根加密算法明文图进行加密处理生成明文相关系统参数
输出密文图系统参数：系统执行完加密程序输出密文图户存图获终密文图系统参数
（2）图解密功
输入密钥密图模块：户系统输入密文图应密钥相应系统参数点击解密钮系统根密钥密文图进行解密操作
系统解密程模块：系统接收密钥密文图根解密算法密文图进行解密处理
输出明文图模块：系统执行完解密程序输出明文图户存图获终明文图
522系统加解密功实现
5221图加密功
图加密功包括三模块：输入密钥明文图模块系统加密程模块输出密文图模块系统加密流程首先户输入密钥进行判定否产生超混沌序列果否需户重新输入果进入系统加密系统进行加密加密操作容系统密钥明文图代入算法明文图进行加密操作输出密文图系统加密流程图图52示
图52系统加密流程图
Fig52Systemencryptionflowchart
5222图解密功
图解密功包括三模块：输入密钥密图模块系统解密程模块输出明文图模块系统解密流程首先输入密文图相应密钥然系统代入密钥通算法解密操作密文图进行解密操作终明文图果密钥密文图相应系统法解密出明文图系统解密流程图图53示
图53系统解密流程图
Fig53Systemdecryptionflowchart
53系统效果测试
531加密测试
进入图加密系统首先页面点击输入图钮需加密图片路径加载系统中系统会显示该图片省略图方便户查否输入正确然第二输入框中填入密钥1密钥5点击加密钮系统加密算法图进行加密右边显示框会系统已加密成功密文图效果显示出密钥明文参数输出方便户进行记录数图加密系统加密操作界面图54示
图54系统加密界面
Fig54Systemencryptioninterface
532解密测试
进入图加密系统首先页面点击输入图钮需解密图片路径加载系统中系统会显示该图片省略图方便户查否输入正确输入根加密步骤系统密钥点击解密钮系统解密算法图进行解密右边显示框会系统已解密成功密文图效果显示出方便户进行保存密文图加密系统解密操作界面图55示
图55系统解密界面
Fig55Systemdecryptioninterface
54章结
章C#语言基OSLO类库设计彩色图加解密系统实现方案文描述基五维CNNS盒结合混沌图加密算法推广实际操作尝试
总结展
总结
文分析研究混沌理图加密方面应首先简单介绍混沌起源历史相关基础知识包括混沌基特征判断准等然简阐述种常见混沌系统进行分析基目前混沌图加密算法存缺点提出种基五维CNN超混沌S盒结合图加密算法算法进行分析实验仿真利C#语言实现图加解密系统文研究包括方面：
（１）简单阐述基混沌图加密技术国外研究现状相关发展历史混沌密码学间关系混沌密码学发展中存问题
（２）针般算法存安全缺陷密钥空间密钥生成明文图关等提出种基五维CNN混沌S盒结合图加密算法首先SHA256算法明文图产生256位二进制hash值然该hash值结合置乱程中分析该混沌系统混沌图形算法安全性仿真实验表明改进算法密文明文敏感具良抗明文攻击力安全性高
（３）文述算法足处进行分析该算法具巨密钥空间够效抵抗穷举差分等攻击存缺陷高维CNN系统需长时间生成超混沌序列密文图抗裁剪攻击性够高需进步研究实验分析
展
目前基混沌数字图加密理研究处发展阶段关混沌学术界没出严谨方接受数学定义中相关理实际应亟解决完善外密码攻击者攻击手段断提高图加密算法研究然重道远
（1）国际目前止没套标准混沌加密系统复杂性安全性性等性进行评估混沌相关理体系亟补充完善
（2）文第4章采logistic置乱参数较简单混沌机数控制混沌映射种混沌系统组合图进行加密设计加密性更加密算法课题研究步工作方
(3)超混沌产生初混沌序列具混乱性适图加密机性够强基混沌理数字图加密算法部分停留软件仿真阶段文中采常方式进行处理混沌序列进行更优化处理伪机性更强广泛应实际进步研究
文档香网(httpswwwxiangdangnet)户传
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目前针场景设计研究出种基混沌图加密算法取俗研究成果然图加密算法存足处基次密加密方式产生机输出类机输出通机密匙形式体现出没解决保存分发密钥难点Bit规加密需进行量运算难应实际图加密中基机技术图加密方式选明文关密钥加密算法明文敏感性较弱基伪DNA序列混沌映射结合图加密算法然相易实现存DNA编码规限难抵挡破解者穷举攻击[30][31][32][33]相关专家学者然断研究新图加密方法传统种加密算法进行改进文针目前低维混沌算法存明显缺点提出种基五维CNN超混沌S盒结合图加密算法通仿真实验表明该算法够效抵挡明文(密文)攻击实现次密拥更加密钥空间具优良加密效果
31细胞神网络数学模型
ChuaYang1988年首次提出种局部互连神网络系统称细胞神网络()研究表明CNN具良机特性产生复杂度高混沌行基CNN混沌系统适图处理模式识等领域[35]产生具类噪音机性长期演变轨道预测等特性混沌信号
311CNN模型结构
CNN基单元称细胞中细胞成简单非线性阶电路细胞电路相中包括电阻线性电容压控电源等元器件规模
细胞神网络排列成M行N列表示第i行第j列细胞图24展示规模细胞神网络等效电路图25示
图24
图25细胞等效电路图
CNN中神元细胞r邻域范围神元细胞相连接范围外细胞相连细胞神网络维数定义意维维情况低维结果推广出细胞邻域定义：
(24)
符号Nr(ij)表示细胞c(ij)半径r邻域C(kl)表示细胞c(ij)r邻域细胞
312CNN状态方程
根图25出CNN中细胞C(ij)等效电路图细胞C(ij)恒定外界输入阈值状态变量输出细胞C(ij)状态方程[29]
阶非线性微分方程形式表示：
(25)
输出方程：
(26)
简化CNN状态方程般表达式：
中状态变量j细胞记号门限值常数分连接状态变量细胞输出线性组合细胞输出电路状态相关
313五维细胞神网络混沌系统
质说CNN种神网络系统实现局部互联目前已应模式识图处理等方面取成果运行机理较复杂属动力学行中种够实时处理信号概念Chua1988年率先提出应图加密方面通量实验表明选取参数合适范围够产生应图加密算法混沌序列扩算法密钥空间防止破解振亚等早1999年发现混沌现象产生三细胞CNN系统中然前提条件保证取参数合理续刘玉明等学者验证说法四维CNN产生超混沌序列应图加密中超混沌序列仅4细胞产生[34]低维CNN混沌系统参数少产生密钥空间相够受密码破解者穷举攻击明文攻击时易抵抗高维CNN生成超混沌行够拥更控参数实时性然益种混沌行更高复杂程度文引文献[35][36]五维细胞神网络模型选取五神元组成神网络模型动力学方程式示：
(31)
中n取值5取值1取值取值取值取值取值取值
取值取值余参数取值均0五维CNN系统式(32)示：
(32)
时系统具两正指数五维CNN系统表现出超混沌状态
部分混沌序列相图：
(a)超混沌XY相图(b)超混沌YZ相图
图31五维CNN超混沌相图
混沌系统作种非线性动力系统系统初始值极端敏感具类机运动长期运动轨迹确定性等特性产生超混度序列适合应设计图加密算法中CNN模型产生混沌序列设计图加密算法优点表现[29]：（1）CNN具形式简单方程选取参数合理范围产生复杂混沌序列（2）CNN方程中参数相较足产生足够密钥空间改善般混沌加密算法密钥空间相较问题（3）CNN方程直接产生机矩阵该矩阵机性较应图加密算法程中年越越专家学者超混沌系统产生序列应图加密算法中取丰硕成果CNN生成超混沌序列条件细胞参数数达四相低维混沌系统产生混沌序列某情形会退化短周期序列失混沌特性超混沌序列密钥身复杂性更高加强混沌图加密算法安全性利非线性动力学行产生更密钥空间更容易遭破解章提出种基五维CNN产生超混沌序列SHA256算法S盒结合彩色图加密算法密钥明文敏感减少相邻图素关系效抵抗明文(密文)攻击差分攻击算法安全性提高
32SHA256算法
Hash函数保证数完整性提供完整安全服务数字签名身份认证等领域着广泛应意长度输入消息文图等压缩成长度固定字符串(称消息摘)输出输入消息输出消息摘截然标准Hash函数中SHA2系列作SHA家族非常重分支美国国家安全局设计该系列组成算法包括SHA224SHA256SHA384SHA512等等该系列算法安全协议应
Sha256种单hash函数意长输入信息转化成固定长消息摘程法消息摘逆恢复原文信息首先输入信息进行预处理原文数填充算法块整数倍根预定义块划分成N消息块设置hash初始值然进行消息块计算步骤利作初始值消息块进行迭代第数块迭代算法H(1)H(1)第二数块进行迭代算法H(2)次进行消息块处理完832bitH(N)连接成256bit消息摘
利SHA256明文256位hash值构造图加密置乱步骤初始参数扩散密钥达加密步骤明文相关目
33S盒相关理
S盒初应算法中称置换盒DESAES算法普受关注作许分组密码系统中非线性部件S盒相关性密码系统整体安全性加密效果密切相关通种方式设计出非线性度较高抵御差分攻击S盒具性优异分组密码算法前提算法设计中难点
S盒质做映射般通查表方式实现表存储量特参数nm选择时S盒非线性时密码破解者想通统计特性分析破解十分困难方面nm值设置S盒设计带困难增加算法存储量图出16进制S盒
传统密码学算法AES等中S盒实现转换具较高执行效率S盒容固定统永久变容易攻击者利混沌模型具机性初始值极端敏感性长期演化轨道预测性盒非线性等广泛构造S盒基考虑利高维CNN系统产生混沌序列构造超混沌动态S盒克服传统S盒固定单易攻击者破解缺点效提高算法安全性
34算法描述
文首先利SHA256明文图产生256位二进制hash值构造logitstic混沌系统初始值产生混沌序列相关序列分图RGB分量进行置乱然五维CNN系统模型生成相关混沌序列利产生混沌序列构造超混沌s盒置乱图素换操作合进行扩散终密文图
331基Logistic映射素置乱
针Logistic初始值敏感特点考虑利SHA256产生hash值构造Logistic初始值明文更敏感原始图三基色分开面公式生成新基色矩阵
(1)(2)(3)
图基色分量RGB进行置乱操作Logistic混沌映射产生加密序列分成三类xyz作置乱矩阵利面式生成加密密钥
(33)
32知SHA256广泛加密哈希函数加密会生成256位二进制哈希值通常表现64位编码十六进制串数字文256位外部密钥K分8块32分段密钥
分段密钥构造logistic映射置乱初始值加密步骤明文相关目具体关系见式(34)：
(34)
中定初始值作扩散操作密钥
素置乱程预迭代Logistic混沌系统1000次消暂态应带良影响Logistic映射生成混沌序列根式数值范围设置[0255]次记作
(35)
明文图分离基色矩阵进行异操作RGB三色置乱图
332超混沌动态S盒构造
利五维CNN产生超混沌序列构造S盒RGB分量图进项素换假设图RGB分量mn设图素sum明文相关混沌控制参数a中：
(36)
Step1：五维CNN系统根定初始值迭代产生混沌序列a时刻开始提取1616混沌数保证选取数重复范围0255选取值前面重复时舍
Step2：生成S盒具更高复杂性安全性述序列放1616矩阵构造超混沌S盒然该S盒置乱RGB分量矩阵进行素值换该S盒拥原S盒更加密钥空间S盒容会根加密轮数变化更改效抵抗穷举等暴力破解攻击方式
333扩散操作
外针原算法扩散操作采简单异操作容易遭选择明文攻击章采种明文相关加取模扩散算法该算法引入密文扩散机制密文明文密钥间具更复杂非线性关系
正扩散算法逆算法公式：
1i(37)
中扩散操作初始密钥知扩散操作需进行轮密文图述加密公式出前密文素加密素进行模加法运算非线性逆解密难度
334加密解密原理
设明文图I表示256256彩色图a明文图相关控制参数明文图信息相关实验程中加密系统初始密钥Logistic混沌系统中＝03428765321＝04638426914＝02965413458混沌映射控制参数设置加密算法程图3示加密步骤：
Step1：输入彩色图I分离图获RGB三基色分量
Step2：根331述原理SHA256明文图产生hash值构造Logistic混沌初始值相关控制参数然产生序列分RGB图进行异素置乱图RGB三色置乱图
Step3：五初始值明文相关参数a作五维CNN系统密钥迭代2000次消暂态应带良影响五维CNN生成系列混沌序列XYZUV生成混沌序序列取值范围0255分混沌序列进行放倍数取整256求余序列
Step4：进行超混沌S盒变换提取混沌序列X第aa+1616数遇重复值舍混沌序列数皆相根前面332方法构造超混沌S盒提取密文元素值前四位作S盒行数四位作S盒列数该元素值S盒应位置值进行代理图进行操作密文矩阵
Step5：进行行置乱列置乱操作分密文第行行素值r第列c作作开始时刻分选取混沌序列YZ256混沌数行置乱序列列置乱序列分分加密矩阵进行行列址变换生成图矩阵
Step6：扩散操作a时刻UV序列提取256256数图矩阵行优先展开根333进行扩散操作行优先展开终密文
Step7循环进行Step4Step6S轮整合密文矩阵终加密图D
加密流程图图41示：
图32加密流程图
解密加密逆操作
34章结
混沌理年图加密通信等领域广泛应着专家学者混沌深入研究取越越成果然基混沌图加密方案具部分缺点密文明文敏感性高密钥空间相等文提出种基五维CNN超混沌s盒结合图加密算法．该算法两方面特点：第文高维CNN混沌系统产生混沌序列设计加密方案相低维混沌系统具生成更加复杂混沌序列密钥空间更第二该算法加密程CNN超混沌序列构造S盒该s盒结合超混沌系统复杂性密钥敏感性等特点超混沌S盒伴加密轮数改变改变S盒容易破解效提高算法抵抗差分攻击力
第四章实验仿真结果分析
41仿真结果
选取尺寸Peppers彩色图作验证算法明文图分图示选取五维CNN系统初始值(0102020202)实验应台Matlab2015a图41分表示加密前明文图密文图根加密效果分析基出明文图明显相关关系密文图整体显示雪花点知该算法明文彩图良加密效果
(a)明文图
(b)密文图
图41
42统计特性分析
421信息熵分析
信息熵检验信息机性种重测量指标概念Shannon概念早提出信息熵反映图信息确定性般认熵越确定性越视信息越少理想密文信息熵应接８密文图更加难破解表42显示明文图加密图文献RGB分量信息熵出加密密文信息熵接8说明文加密算法效提高密文图信息熵减少信息泄露性
信息熵计算公式式子45示：
(45)
里L图灰度等级数表示灰度值i出现概率
表42明文密文信息熵
算法
信息熵
密文图
R分量
G分量
B分量
R分量
G分量
B分量
明文图
74140
72630
68705
加密图
79974
79962
79968
00467
00028
00065
文献[42]
79951
79970
79941
00032
00052
00471
文献[43]
79967
79973
79960
422直方图分析
图直方图表示图素分布特征中横坐标素值坐标表示素出现频率加密图具直方图分布越均匀越抵抗种统计攻击图42示加密前明文图RGB分量素值分布相明显直方图素值分布波动性较密文攻击者容易进行统计分析破解加密密文RGB信息值图变化没明显波动分布相均匀密文攻击者法通统计特性分析获取密文素值相关信息
(a) (b)(c)
(d)(e)(f)
图42明文密文图直方图
(a)(b)(c)分明文图GRB分量直方图
(d)(e)(f)分密文图GRB分量直方图
423相邻素相关性分析
理想加密算法应方相邻素低相关性抵抗统计攻击原始明文图相邻素水垂直角线方具高相关性种情况原始明文图难抵抗统计特性分析根加密前图选择角方相邻素公式（41）（44）计算相关性：
(41)
(42)
(43)
(44)
中xy分表示图中两相邻素值两相邻素相关系数分明文图密文图角方中选择3000组相邻素分析相关性方相邻素机抽取正图43示原始明文图中相邻素分布高度集中意味着原始明文图具强相关性密文图相邻素分布相分散规律寻说明相邻点素值没明显关系
(a)(b)(c)
(d)(e)(f)
图43相邻角线素相关性
(a)(b)(c)
(d)(e)(f)
然分密文图RGB分量方选取全部素点计算相关系数取RGB分量方相关系数均值作较结果明文文献加密算法结果进行表41知加密图相关系数基接0说明密文图相邻素没关系说明加密图相关信息隐藏算法效抵抗统计攻击原始明文图相邻素相关系数接1说明明文图相邻素具较高相关性容易遭统计特性攻击
算法
方
密文图
水方
垂直方
角方
R分量
G分量
B分量
明文图
09496
09622
08973
00467
00028
00065
文算法
00032
00052
00271
00032
00052
00471
文献[38]
00056
00011
00037
文献[39]
00164
000624
00071
文献[40]
00041
00019
00068
文献[41]
00268
000625
000322
43安全性分析
431—次密分析
算法通SHA256明文图产生256位hash值logistic映射初始值该映射产生混沌序列明文图置乱加密系统密钥混沌序列明文图密切关系明文图生成置乱矩阵完全生成密钥混沌序列明文图息息相关外五维CNN超混沌序列构造S盒会着加密轮数改变发生变化算法生成密钥混沌序列根明文图特性相关次密钥定条件攻击者获次进行加密时密钥变化次加密密文图然手效提髙算法安全性
432密钥空间分析
抵挡暴力破解攻击图加密算法应具极密钥空间文SHA256产生hash值产生logistic混沌产生图置乱3初始参数效数达1012位外根五维CNN系统5初始密钥明文相关系统控制参数a算法密钥空间达密钥空间暴力方法穷举分析法原明文图侧面说明文图加密算法够效抵抗种暴力破解攻击提高加密图安全性
433密钥敏感性分析
五维CNN混沌系统5初始值作密钥密钥高度敏感性意味着定解密密钥旦发生轻微变化会导致解密程出错充满雪花点图法正确明文图实验仿真中图44（a）示CNN混沌系统密钥改条件保持变解密图44（b）示密钥改图44（c）示解密图面分析知该算法系统初始密钥极端敏感性密钥发生微改变会导致解密失败
434抗差分攻击分析
明文敏感性指明文图发生细变化会导致密文图发生显著改变素值变化率（）化均变化强度（）明文敏感性分析常两指标[44][45]NPCR表示较两幅图相应位置素点值记录素点数占全部素点例UACI表示较两幅图相应位置素点值记录差值然计算全部差值差值(255)值均值里P1P2两幅加密图P1P2相应明文图十分接素点值相差1D（ij）0否D（ij）1计算公式分见（46）（47）MN分表示图行列：
（46）
（47）
NPCR期值100越接表明加密算法明文图变化更敏感效抵抗明文攻击UACI理想值3333越接表明算法效抵抗差分攻击R分量位置（12）素点素值增加1然通式子计算出认该算法具强明文敏感性够效抵抗差分攻击
表43图NPCRUACI参数值
图
NPCR（）
UACI（）
R分量
G分量
B分量
R分量
G分量
B分量
Peppers
996336
987665
991217
334862
333428
324684
Sailboatonlake
996253
996223
995826
324798
335854
324126
Lena
995837
994282
996173
336846
324132
334115
435典攻击分析
选择明文攻击()指密码破解者清楚知道整套加密流程情况攻击者通种攻击分析求解密钥显然选择明文攻击种相效攻击方式成判断图加密算法否拥优良加密性准
密码破解者根明文图信息发生细微变化推出算法流程破解整加密算法通常会选择解密图尺寸致图作明文图追踪素点灰度值变化素值设置100然通逐渐更改该图素点值进行加密攻击者通分析明文图信息密文图相应素值变化规律推算出明文—密文相应素点关系通种方式原始图破解成[46]
算法加密程中基SHA256明文图产生hash值作logistic混沌系统初始值加密图明文相关明文图发生微改变hash值会改变通密文图素值变化难推测出明文图规律然算法加密程中加入明文素值相关相关a作系统控制参数明文信息发生微变化通式子（36）知素值总发生放10000倍操作导致整加密程发生显著变化外算法超混沌序列构造动态S盒素值进行换S盒伴加密轮数改变改变轮变化皆前轮加密信息关增加破解难度综述文加密方法够效抵抗选择明文（密文）攻击
436抗裁剪攻击分析
实际应中部分加密图传输程中丢失Peppers彩色图加密密文图选择四密文图边缘机素方块区域区域素值改1图45(a)示然加密算法裁剪密文图进行解密解密图图45(b)示明文图轮廓清晰见没图素损失出现严重失真情况换言密文图素信息缺失达6左右情况算法然效原明文图部分素信息表明算法效抵抗剪切噪声攻击
(a)密文裁剪图
(b)明文恢复图
图45丢失6密文信息Peppers解密图
44章结
章第三章研究基础采五维CNN超混沌系统结合S盒设计种图加密算法安全哈希算法SHA256明文图产生256位二进制哈希值构造混沌系统控制参数中利改进Logistic置乱图进行素位置置乱截取部分超混沌序列构造超混沌S盒图进行素换处理加密图扩散操作整合成终密文图仿真实验数分析表明该算法密钥空间巨明文密钥极敏感密文图机分布效抵抗差分攻击算法加密性良
第五章图加密系统实现
51开发环境
第四章实验仿真基MATLAB台模拟实现图加解密操作适合普通户章设计基C#语言OSLO全称：微软开发求解常微分方程数值解开源类库实现第三四章功图加解密系统功彩色图进行加密解密操作系统提供视化界面方便户进行图加密解密操作结果查般应彩色图片图加密
52系统整体设计实现
521系统整体功设计
系统基第三章算法第四章试验仿真做系统设计：
基五维细胞神网络S盒结合超混沌图加密算法图进行加密程解密加密逆程
整体功图示系统界面图51示
图51系统功图
Fig51Systemfunctionchart
（1）图加密模块
输入密钥明图：户系统输入5五维CNN系统数字作初始密钥张明文图点击加密钮系统根密钥明文图进行加密操作
系统加密程：系统接收密钥加密轮次明文图根加密算法明文图进行加密处理生成明文相关系统参数
输出密文图系统参数：系统执行完加密程序输出密文图户存图获终密文图系统参数
（2）图解密功
输入密钥密图模块：户系统输入密文图应密钥相应系统参数点击解密钮系统根密钥密文图进行解密操作
系统解密程模块：系统接收密钥密文图根解密算法密文图进行解密处理
输出明文图模块：系统执行完解密程序输出明文图户存图获终明文图
522系统加解密功实现
5221图加密功
图加密功包括三模块：输入密钥明文图模块系统加密程模块输出密文图模块系统加密流程首先户输入密钥进行判定否产生超混沌序列果否需户重新输入果进入系统加密系统进行加密加密操作容系统密钥明文图代入算法明文图进行加密操作输出密文图系统加密流程图图52示
图52系统加密流程图
Fig52Systemencryptionflowchart
5222图解密功
图解密功包括三模块：输入密钥密图模块系统解密程模块输出明文图模块系统解密流程首先输入密文图相应密钥然系统代入密钥通算法解密操作密文图进行解密操作终明文图果密钥密文图相应系统法解密出明文图系统解密流程图图53示
图53系统解密流程图
Fig53Systemdecryptionflowchart
53系统效果测试
531加密测试
进入图加密系统首先页面点击输入图钮需加密图片路径加载系统中系统会显示该图片省略图方便户查否输入正确然第二输入框中填入密钥1密钥5点击加密钮系统加密算法图进行加密右边显示框会系统已加密成功密文图效果显示出密钥明文参数输出方便户进行记录数图加密系统加密操作界面图54示
图54系统加密界面
Fig54Systemencryptioninterface
532解密测试
进入图加密系统首先页面点击输入图钮需解密图片路径加载系统中系统会显示该图片省略图方便户查否输入正确输入根加密步骤系统密钥点击解密钮系统解密算法图进行解密右边显示框会系统已解密成功密文图效果显示出方便户进行保存密文图加密系统解密操作界面图55示
图55系统解密界面
Fig55Systemdecryptioninterface
54章结
章C#语言基OSLO类库设计彩色图加解密系统实现方案文描述基五维CNNS盒结合混沌图加密算法推广实际操作尝试
总结展
总结
文分析研究混沌理图加密方面应首先简单介绍混沌起源历史相关基础知识包括混沌基特征判断准等然简阐述种常见混沌系统进行分析基目前混沌图加密算法存缺点提出种基五维CNN超混沌S盒结合图加密算法算法进行分析实验仿真利C#语言实现图加解密系统文研究包括方面：
（１）简单阐述基混沌图加密技术国外研究现状相关发展历史混沌密码学间关系混沌密码学发展中存问题
（２）针般算法存安全缺陷密钥空间密钥生成明文图关等提出种基五维CNN混沌S盒结合图加密算法首先SHA256算法明文图产生256位二进制hash值然该hash值结合置乱程中分析该混沌系统混沌图形算法安全性仿真实验表明改进算法密文明文敏感具良抗明文攻击力安全性高
（３）文述算法足处进行分析该算法具巨密钥空间够效抵抗穷举差分等攻击存缺陷高维CNN系统需长时间生成超混沌序列密文图抗裁剪攻击性够高需进步研究实验分析
展
目前基混沌数字图加密理研究处发展阶段关混沌学术界没出严谨方接受数学定义中相关理实际应亟解决完善外密码攻击者攻击手段断提高图加密算法研究然重道远
（1）国际目前止没套标准混沌加密系统复杂性安全性性等性进行评估混沌相关理体系亟补充完善
（2）文第4章采logistic置乱参数较简单混沌机数控制混沌映射种混沌系统组合图进行加密设计加密性更加密算法课题研究步工作方
(3)超混沌产生初混沌序列具混乱性适图加密机性够强基混沌理数字图加密算法部分停留软件仿真阶段文中采常方式进行处理混沌序列进行更优化处理伪机性更强广泛应实际进步研究
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