D0I:10.13374/h.issn1001-053x.2012.04.015 第34卷第4期 北京科技大学学报 Vol.34 No.4 2012年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2012 基于交替迭代混沌系统的图像加密算法 徐 刚2)四张亚东)张新祥” 张啸剑) 1)河南财经政法大学计算机与信息工程学院，郑州4500022)北京科技大学自动化学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:xgtony(@163.com 摘要基于logistic映射和时空混沌系统，设计了一个密钥长度为256bit的图像分组密码算法，将256bit的明文图像分组加 密为等长的密文图像.该算法引入的辅助密钥和设计的迭代次数敏感地依赖于明文分组和密钥，交替迭代混沌系统及Aold 映射实现了像素值的扰乱和位置置乱.计算机仿真和密码分析表明，该算法具有对明文和密钥敏感、密钥空间大和可扩展性 强等特点，具有良好的加密效果和较强的抗攻击性能，适用于安全通信领域. 关键词图像传输系统：图像编码：加密：混沌系统：耦合映像格子 分类号TP309.2 Digital image encryption algorithm based on an alternating iterative chaotic system XU Gang2☒，ZHANG Ya-dong》,ZHANG Xin-xiang》,，ZHANG Xiaojian》 1)College of Computer and Information Engineering,Henan University of Economics and Law,Zhengzhou 450002,China 2)School of Automation,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:xgtony@163.com ABSTRACT A block image encryption algorithm with a 256 bit key was designed based on a logistic map and a spatiotemporal chaot- ic system.The algorithm encrypts a block of original image into a block of cipher image with the same length of 256 bit.An auxiliary key brought in and iterations designed in the algorithm are sensitive to the original image and secret keys.An alternating iterative chaot- ic system and an Arnold map disturb pixel values and shuffle the positions of pixels.The results of computer simulation and cryptanaly- sis show that the algorithm is characteristic of excellent sensitivity to the original image and keys,large secret key space and high ex- pansibility.The algorithm also has excellent effective encryption and strong anti-attacking performance.It is indicated that the algo- rithm is suitable for security communication. KEY WORDS image communication systems;image coding;encryption:chaotic systems;coupled map lattices 随着多媒体技术在现代通信中的广泛使用，数 步系统（广义Henon映射）扰乱像素值进行加密； 字图像传输的保密性受到了越来越多的重视.数字 Behnia等间和Lian分别使用混合的混沌系统和 图像信息具有的数据冗余强、数据量大和相邻像素 时空混沌来扰乱像素值.这些仅扰乱像素值的方法 点相关性强等特点，使得图像的加密方法不同于传 局限性在于攻击者一旦破译加密矩阵就可破译加密 统的针对文本信息的加密方法.近年来的研究表 图像：同样对于仅进行图像像素位置置乱的加密算 明，混沌系统以其对初始条件的极端敏感性、遍历性 法，由于图像的像素值没有变化，很容易被统计攻击 和生成序列的伪随机性等特性，使得混沌图像加密 或以比较像素值的方法攻破. 研究出现了很多新的方案.Kwk等给出了一种 为提高加密算法的安全性，樊春霞等日提出运 流密码图像加密算法，利用斜帐篷映射和高维猫映 用logistic映射改变明文图像的灰度值，一类标准映 射扰乱图像像素值：臧鸿雁等同用离散广义混沌同 射用于位置置乱进行图像加密的方案；郑凡等因给 收稿日期：201102-20 基金项目：国家自然科学基金资助项目(61170037)第 34 卷 第 4 期 2012 年 4 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 4 Apr． 2012 基于交替迭代混沌系统的图像加密算法 徐 刚1，2) 张亚东1) 张新祥1) 张啸剑1) 1) 河南财经政法大学计算机与信息工程学院，郑州 450002 2) 北京科技大学自动化学院，北京 100083 通信作者，E-mail: xgtony@ 163． com 摘 要 基于 logistic 映射和时空混沌系统，设计了一个密钥长度为 256 bit 的图像分组密码算法，将 256 bit 的明文图像分组加 密为等长的密文图像． 该算法引入的辅助密钥和设计的迭代次数敏感地依赖于明文分组和密钥，交替迭代混沌系统及 Arnold 映射实现了像素值的扰乱和位置置乱． 计算机仿真和密码分析表明，该算法具有对明文和密钥敏感、密钥空间大和可扩展性 强等特点，具有良好的加密效果和较强的抗攻击性能，适用于安全通信领域． 关键词 图像传输系统; 图像编码; 加密; 混沌系统; 耦合映像格子 分类号 TP309. 2 Digital image encryption algorithm based on an alternating iterative chaotic system XU Gang1，2) ，ZHANG Ya-dong1) ，ZHANG Xin-xiang1) ，ZHANG Xiao-jian1) 1) College of Computer and Information Engineering，Henan University of Economics and Law，Zhengzhou 450002，China 2) School of Automation，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: xgtony@ 163． com ABSTRACT A block image encryption algorithm with a 256 bit key was designed based on a logistic map and a spatiotemporal chaot￾ic system． The algorithm encrypts a block of original image into a block of cipher image with the same length of 256 bit． An auxiliary key brought in and iterations designed in the algorithm are sensitive to the original image and secret keys． An alternating iterative chaot￾ic system and an Arnold map disturb pixel values and shuffle the positions of pixels． The results of computer simulation and cryptanaly￾sis show that the algorithm is characteristic of excellent sensitivity to the original image and keys，large secret key space and high ex￾pansibility． The algorithm also has excellent effective encryption and strong anti-attacking performance． It is indicated that the algo￾rithm is suitable for security communication． KEY WORDS image communication systems; image coding; encryption; chaotic systems; coupled map lattices 收稿日期: 2011--02--20 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 61170037) 随着多媒体技术在现代通信中的广泛使用，数 字图像传输的保密性受到了越来越多的重视． 数字 图像信息具有的数据冗余强、数据量大和相邻像素 点相关性强等特点，使得图像的加密方法不同于传 统的针对文本信息的加密方法． 近年来的研究表 明，混沌系统以其对初始条件的极端敏感性、遍历性 和生成序列的伪随机性等特性，使得混沌图像加密 研究出现了很多新的方案． Kwok 等［1］给出了一种 流密码图像加密算法，利用斜帐篷映射和高维猫映 射扰乱图像像素值; 臧鸿雁等［2］用离散广义混沌同 步系统( 广义 Henon 映射) 扰乱像素值进行加密; Behnia 等［3］和 Lian ［4］分别使用混合的混沌系统和 时空混沌来扰乱像素值． 这些仅扰乱像素值的方法 局限性在于攻击者一旦破译加密矩阵就可破译加密 图像; 同样对于仅进行图像像素位置置乱的加密算 法，由于图像的像素值没有变化，很容易被统计攻击 或以比较像素值的方法攻破． 为提高加密算法的安全性，樊春霞等［5］提出运 用 logistic 映射改变明文图像的灰度值，一类标准映 射用于位置置乱进行图像加密的方案; 郑凡等［6］给 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.04.015