（电路与系统专业论文）数字图像小波变换与混沌加密及其fpga技术实现.pdf

摘要 摘要 随着现代电子技术的飞速发展，人们对混沌的研究也取得了长足的进步，在 很多方面也得到了较广的应用。研究混沌的人也越来越多，这跟它的特性是分不 开的。混沌作为非线性系统的表现形势，具有随机性、初它在语始值敏感性、分 维性、普适性，使得它在语音和图像加密甚至视频加密中具有了较好的运用前景。 以往采用分立元件实现混沌。 小波变换是一种新的变换分析方法，它继承和发展了短时傅立叶变换 局部化的思想，同时又克服了窗口大小不随频率变化等缺点，能够提供一 个随频率改变的时间一频率窗口，是进行时频处理和分析的理想方法，解 决了f o u r i e r 变换不能解决的许多困难问题。 传统的密码学主要应用于文本资料的加密处理，为数字图像的加密技术提供 了最直接的理论依据，但是它的对象是二进制数据流，忽略了图像的二维特性， 同时，由于数字图像数据量大，有的还要求加密具有实时性，传统的加密方法难 以实现。将混沌应用在图像加密领域，计算机仿真和硬件平台上面证明取得了较 好的加密效果，同时对图像的加密也是混沌具有实际的应用价值。 本文的主要内容包括以下几个方面： 1 研究了两个多涡卷系统切换的控制方法，首先通过m a t l a b 仿真这两个涡 卷系统的相图，然后通过在m u l t i s i m 软件中设计他们各自的电路观察相图，然 后实现2 涡卷和3 涡卷的叠加，最终观察得到5 涡卷。 2 在计算机上对图像进行仿真，首先把一幅图像进行小波变换得到它的高 频分量和低频分量，经过一级分解得到了4 幅图像。保留影响图像主要因素的低 频分量，其余的分量置0 ，对图像进行重构得到。得到压缩后的图像。然后我们 把得到的图像进行猫映射加密和解密。得到加密和解密的图像。解密的过程是对 对这些系数进行逆变换。 3 在f p g a 硬件平台上面用硬件描述语言编程构造r o m 、r a u m 存储器、 v g a 时序、v g a 控制、小波行变换、小波变换、m 锁相环等七个模块。用这些 模块构建工程文件，模块采用h d l 文本输入方式，顶层设计输入采用原理图的 输入方式生成b s f 文件。接着编译、下载然后实现了提取图像的行变换( l 分量) 、 低频分量( l l 分量) 。最后我们给出了实验的结果。 4 在f p g a 平台上使用上述基本模块，然后我们再构造猫映射加密和猫映 射解密模块实现图像的猫映射加密和解密。给出了硬件设计流程、系统模块的基 本组成和硬件设计的最终结果。 本学位论文的工作得到了禹思敏教授主持的国家自然科学基金( 项目批准号 6 0 5 7 2 0 7 3 ，6 0 8 7 1 0 2 5 ，6 1 1 7 2 0 2 3 ) 、教育部高等学校博士学科点( 博导类) 专项 科研基金( 项目批准号2 0 1 1 4 4 2 0 1 1 0 0 0 3 ) 、广东省自然科学基金( 项目批准号 8 1 5 1 0 0 9 0 0 1 0 0 0 0 6 0 ，$ 2 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 8 ) 、广东省科技计划项目( 项目批准号 2 0 0 9 8 0 1 0 8 0 0 0 3 7 ) 的资助。 关键词：混沌：猫映射；f p g a ；混沌切换；小波变换：加密解密； u a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e me l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , c h a o sr e s e a r c h h a sa l s om a d ec o n s i d e r a b l ep r o g r e s si nm a n yw a y st og e taw i d e ra p p l i c a t i o n t h e s t u d yo fc h a o si sa l s oi n c r e a s i n g ，t h i si ss a y i n gt h ef e a t u r e sa rei n s e p a r a b l e c h a o sa sa n o n l i n e a rs y s t e mp e r f o r m a n c es i t u a t i o n ，r a n d o m ，a n de a r l yi nt h el a n g u a g e ，i ti st h e b e g i n n i n gv a l u eo ft h es e n s i t i v i t yo ft h ef r a c t a ld i m e n s i o n , u n i v e r s a l ，m a k i n gi tt h e v o i c ea n di m a g ee n c r y p t i o ne v e nw i t hg o o dp r o s p e c t sf o rt h eu s eo fv i d e oe n c r y p t i o n i nt h ep a s tu s i n gd i s c r e t ec o m p o n e n t st oa c h i e v ec h a o s t h ew a v e l e tt r a n s f o r mi san e wt r a n s f o r m a t i o na n a l y s i sm e t h o d ，i th a si n h e r i t e d a n dd e v e l o p e dt h es h o r t - t i m ef o u r i e rt r a n s f o r mt h ei d e ao fl o c a l i z a t i o n , a tt h es a m e t i m eo v e r c o m et h ew i n d o ws i z ed o e sn o tv a r yw i t ht h ef r e q u e n c yc h a n g ea n do t h e r s h o r t c o m i n g s ， c a np r o v i d eaf r e q u e n c yd e p e n d e n tt i m e - f r e q u e n c yw i n d o wi s p r o c e s s i n ga n da n a l y s i so fa n i d e a lm e t h o dt os o l v et h et i m e - f r e q u e n c yf o u r i e r t r a n s f o r mc a nn o ts o l v em a n yd i f f i c u l tp r o b l e m s t r a d i t i o n a l c r y p t o g r a p h yi sm a i n l yu s e di nt h ep r o c e s s i n go ft e x t d a t a e n c r y p t i o n , t h ee n c r y p t i o nt e c h n o l o g yo f t h ed i g i t a li m a g et op r o v i d et h em o s td i r e c t t h e o r e t i c a lb a s i s ，b u ti t so b j e c ti sab i n a r yd a t as t r e a m ，i g n o r i n gt h et w o - d i m e n s i o n a l c h a r a c t e r i s t i c so ft h ei m a g ea tt h es a m et i m e ，d u et od i g i t a li m a g ed a t av o l u m e ，a n d s o m ea l s or e q u i r ee n c r y p t i o nw i t hr e a l - t i m e ，t r a d i t i o n a le n c r y p t i o nm e t h o d sa r e d i f f i c u l tt oa c h i e v e c h a o sa p p l i c a t i o n si nt h ef i e l do fi m a g ee n c r y p t i o n ，c o m p u t e r s i m u l a t i o na n dh a r d w a r ep l a t f o r m sa b o v ep r o v e dt oo b t a i nb e t t e re n c r y p t i o n ，i m a g e e n c r y p t i o nc h a o sh a sp r a c t i c a lv a l u e t h em a i nc o n t e n t si n c l u d et h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 as t u d yo ft w om u l t i s c r o l ls y s t e ms w i t c h i n gc o n t r o lm e t h o d ，f i r s tb yt h e m a t l a bs i m u l a t i o nt h e s et w os c r o l lt h ep h a s ed i a g r a m ，a n dt h e nd e s i g nt h e i ro w n c i r c u i ti nm u i t i s i ms o f t w a r et oo b s e r v et h ep h a s ed i a g r a ma n df o u n dt h a tw i t hu st h e n t h es u p e r p o s i t i o no ft w os c r o l l sa n ds c r o l l s ，t h ef i n a lo b s e r v e df i v es c r o l l s 广东工业大学硕士学位论文 2 t h ei m a g eo nt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n ，a ni m a g ew a v e l e tt r a n s f o r mt og e t t h eh i g h - f r e q u e n c yc o m p o n e n ta n dl o wf r e q u e n c yc o m p o n e n t s ，a f t e rad e c o m p o s i t i o n o ft h ef o u ri m a g e s t or e t a i nt h el o wf r e q u e n c yc o m p o n e n t so ft h em a i nf a c t o r so ft h e i m a g et ot h er e s to ft h ec o m p o n e n t ss e tt o0 ，t h ei m a g ei sr e c o n s t r u c t e db yt og e tt h e c o m p r e s s e di m a g e t h e nw eg e tt h ei m a g ec a tm a pe n c r y p t i o na n dd e c r y p t i o n e n c r y p t i o na n dd e c r y p t i o no fi m a g e s t h ed e c r y p t i o np r o c e s si s t ot r a n s f o r mt h e i n v e r s eo ft h e s ec o e 衢c i e n t s 3 h a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g ep r o g r a m m i n g c o n s t r u c t sr o m ，r a m m e m o r y , v g at i m i n g , t h ev g ac o n t r o l ，w a v e l e tl i n et r a n s f o r m ，w a v e l e tt r a n s f o r m ， t h ei pp h a s e - l o c k e dl o o ps e v e nm o d u l ei nt h ef p g ah a r d w a r ep l a t f o r ma b o v e t h e s e m o d u l e st ob u i l dt h ep r o j e c tf i l e ，t h em o d u l eu s e st h eh d lt e x ti n p u tm o d e ，t h e t o p - l e v e ld e s i g ne n t r yu s i n gt h es c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ei n p u tg e n e r a t e db s ff i l e t h e nc o m p i l e ，d o w n l o a da n dt h e ne x t r a c tt h ei m a g eo ft h el i n et r a n s f o r m ( l c o m p o n e n t ) ，l o w - f r e q u e n c yc o m p o n e n t( l lc o m p o n e n t ) f i n a l l y , w ep r e s e n t e x p e r i m e n t a lr e s u l t s 4 f p g ap l a t f o r ma b o v et h eb a s i cm o d u l eo ft h ea b o v e 。t h e nw ew i l lc o n s t r u c t c a tm a p p i n ge n c r y p t i o na n dc a tm a pd e c r y p t i o nm o d u l et oa c h i e v et h ei m a g eo ft h e c a tm a pe n c r y p t i o na n dd e c r y p t i o n t h ee n dr e s u l to ft h eb a s i cc o m p o n e n t sa n d h a r d w a r ed e s i g no ft h eh a r d w a r ed e s i g np r o c e s s ，t h es y s t e mm o d u l e t h i sw o r kw a ss u p p o r t e db yt h en a t i o f m ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a u n d e rg r a n tn o s 6 0 5 7 2 0 7 3 ，6 0 8 7 1 0 2 5a n d6 11 7 2 0 2 3 ，t h es p e c i a l i z e dr e s e a r c h f o u n d a t i o no fd o c t o r a ls u b j e c tp o i n to fe d u c a t i o nm i n i s t r yu n d e rg r a n tn o 2 0 11 4 4 2 0 110 0 0 3 ，t h en a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fg u a n # o n gp r o v i n c eu n d e r g r a n tn o s 8 1 5 1 0 0 9 0 0 1 0 0 0 0 6 0a n ds 2 0 11 0 1 0 0 0 1 0 1 8 ，a n dt h es c i e n c ea n d t e c h n o l o g yp r o g r a mo fg u a n g d o n gp r o v i n c eu n d e rg r a n tn o 2 0 0 9 8 0 1 0 8 0 0 0 3 7 k e y w o r d s ：c h a o s ；c a tm a p ；t h ef p g a ；c h a o t i cs w i t c h i n g ；w a v e l e tt r a n s f o r m ； e n c r y p t i o na n dd e c r y p t i o n ； 广东工业大学硕士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t i c o n t e n t s ( c h i n e s e ) v c o n t e n t s 一v c h a p t e r 1e x o r d i u m 1 1 1i n t r o d u c t i o n 1 1 2b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo f t h es u b j e c tt o p i c s 4 1 3d o m e s t i ca n df o r e i g nc h a o t i cs e c u r ec o m m u n i c a t i o nr e s e a r c h 2 1 4t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ta n da r r a n g e m e n to f t h ec h a p t e r s 4 c h a p t e r2s c r o l ls w i t c hc o n t r o l 6 2 1m u l t i s c r o l ls w i t c hc o n t r o lm e t h o d 8 2 1 1s c r o l ls y s t e me q u a t i o n 9 2 1 2m u l t i s c r o l ls w i t c h e st h ec i r c u i td e s i g n 13 2 2s u m m a r y 1 4 c h a p t e r3f p g a s t r u c t u r ea n di t sd e v e l o p m e n tp r o c e s s 15 3 1t h ef p g ai n t r o d u c t i o n 15 3 2f p g a c h i pa r c h i t e c t u r e 1 6 3 3s o f t c o r e h a r d - - c o l 陀a n ds o l i dc o l ec o n c e p t 1 7 3 4f p g am i n i m u ms y s t e md e s i g n 18 3 5f p g a d e v e l o p m e n tp r o c e s s 18 3 6s i m u l a t i o na n dc o m p r e h e n s i v e 2 0 3 6 1t h es i m u l a t i o ni n t r o d u c e d 2 0 3 6 2a no v e r v i e w 2 1 3 7s u m m a r y 2 1 c h a p t e r4i m a g e w a v e l e tt r a n s f o r m 2 2 4 1w a v e l e to r i g i n 2 2 4 1 1f o u r i e rt r a n s f o r ma n dg a b o rt r a n s f o i t i 2 2 4 1 2t h ew a v e l e tt r a n s f o r mo f t h eh i s t o r ya n dd e v e l o p m e n t 2 3 v l l i c o n t e n t 4 2w a v e l e td e f i n i t i o na n dd e c o m p o s i t i o n 2 2 4 2 1c o n t i n u o u sw a v e l e tt r a n s f o r l n ：! z i 4 2 2t h ed i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r n l ：! z l 4 2 3w a v e l e td e c o m p o s i t i o n 2 5 4 2 4w a v e l e tr e c o n s t r u c t i o n ：1 6 4 2 5i m a g ep r o c e s s i n g 2 6 4 3h a a rw a v e l e t - b a s e dd i g i t a li m a g ec o m p r e s s i o n 2 7 4 3 1b a s e do nt h eh a a rw a v e l e tc o m p r e s s i o nm e t h o d 2 7 4 3 2b a s e do nt h eh a a rw a v e l e tp y r a m i dd e c o m p o s i t i o n 3 1 4 4w a v e l e tt r a n s f o r mo f i m a g es i m u l a t i o n 3 1 4 5t h ev g ai n t r o d u c t i o n 3 2 4 6h a r d w a r et oa c h i e v e 3 3 4 6 1t h ed e 2d e v e l o p m e n tb o a r d 3 3 4 6 2d e 2h a r d w a r ep l a t f o r mi m p l e m e n t a t i o n 3 4 4 7c h a p t e rs u m m a r y 3 7 c h a p t e r5c h a o t i cd i g i t a li m a g ee n c r y p t i o ni m p l e m e n t a t i o n 3 8 5 1i n t r o d u c t i o n 3 8 5 2i m a g e sa n dc r y p t o g r a p h yi sab a s i ci n t r o d u c t i o n 3 8 5 3c h a o sm a p p i n ga n dc r y p t o g r a p h y ：4 0 5 3 1b l o c kc i p h e r sa n ds t r e a mc i p h e r s 4 1 5 3 2p a s s w o r dt r a n s f o r ma n dc h a o t i cm a p st h er e l a t i o n s h i p 4 2 5 4t h ec a tm a p 4 3 5 5c o m p u t e rs i m u l a t i o n 4 1 4 l 5 6k e y s p a c ea n a l y s i s j i ! i 5 7b a s e do nc h a o t i ce n c r y p t i o nh a r d w a r eo f t h ef p g ap l a t f o r mt oa c h i e v e 4 5 5 8c h a p t e rs u m m a r y 4 7 c o n c l u s i o na n dp r o s p e c t 5 0 r e f e r e n c e s 51 p u b l i s h e dp a p e rs t u d l n g 5 6 i x 广东工业大学硕士学住论文 a n n o u n c eo fo l u g i n a lc r e a t i o n 5 7 t h e s i ss t m m 【e n tc o p y r i n g h tl l c e n s e 5 7 a c k n o w l e d g e m e n t 。5 8 x 第一章绪论 - 1 1 引言 第一章绪论 混沌理论川作为近年来非线性科学研究领域的一个热门课题，是继相对论和 量子论之后，混沌学对以牛顿经典力学为核心的经典科学世界进行了又一次深刻 的变革，它在机械确定性、线性、简单有序性几个方面的突破，确立复杂性、非 线性和随机性在现代科学中的地位。回顾经典力学中，简化的力学模型把必然性 非常好的体现出来，同时也人为地去除了偶然性。依据牛顿的方程，通过计算物 体的初始状态来确定在今天或者之前的运动状态，因此据他看来，这些运动状态 之间有必然的、确定的因果联系。可见，从牛顿力学直到拉普拉斯决定论，一直 都认为只要给定了认识对象一个初始条件，确定了某一质点的时空坐标的精确位 置，就可以推算出它在以后任意时刻的空间位置以及所发生的一切。 然而在1 9 6 3 年，研究气象方面的洛仑兹根据牛顿定律建立压强和风速、温 度压强之间的非线性方程，然后他在计算机上对方程组进行模拟实验，因舍去了 参数小数点后面的几位，通常认为舍去部分似乎不值一提，但是得出结果却出乎 人们的意料：舍去小数后的模型和原来的远远不同。因此，洛仑兹幢1 认定：长时 期关于天气方面的预报是不可能的。席卷美国的龙卷风可能与之前几个星期的远 在澳大利亚的一只蝴蝶扇动翅膀的微小气流有关。这就是天气系统中著名的”蝴蝶 效应。因此我们看到天气预报中我们可以经常看到有l 、2 、3 天的预报，但是没 有1 个月的预报，因为根据天气预报模型得知它长期不准，短期比较准。洛仑兹 的论文发表在大气科学杂志上。从此以后混沌理论得到很快的发展，自从1 9 9 0 年，c a r r o l l 和p e c o r a 提出了混沌同步的理论和方法以后，随着混沌同步研究的 不断深入，混沌控制与同步的研究工作得到了长足的发展特别是随着现代微电子 技术的发展，混沌在通信领域得到较好的应用。很多混沌系统模型能够在计算机 及硬件系统中实现。同时使得混沌在生物学、物理学、数学、化学、经济学、医 学在内的众多领域有着非常广泛的应用价值。 由于混沌系统的奇异性和复杂性至今尚未被人们彻底了解，因此，目前在国 际上混沌还没有一个统一的定义。一些科学家这样认为，洛仑兹认为：非周期流 确定性。”费根包姆认为：”一个内在随机运动的确定系统。”赫柏林认为：”没有 周期性的有序。”钱学森认为：”混沌是微观有序和宏观无序的现象。已有的定义 则是从不同的侧面反映了混沌运动的性质。 l i - y o r k e 定义是一个比较著名的关于混沌方面的数学定义，它从区间映射 出发来说明混沌，该定义如下。 l i - y o r k e 定理：设区间 马明上有连续自映射双曲，若只力有3 周期点，那么 只力有力周期点，且对任何正整数，7 彩，威么因此也被认为“周期3 意味着混沌”。 1 9 7 5 年1 2 月，美国数学家李天岩例和约克在期刊美国数学月刊发表了 一篇名为“周期3 意味着混沌”的论文。这说明，周期3 的出现，意味着该系 统的里面的无穷多个周期轨道是不稳定的，因而系统是混沌。 此外关于混沌的定义还有施r o f f o 定理，d e v a n e y 混沌定义等。 因此我们理解混沌是指宏观是确定的非线性系统在某种条件下表现出来的 不可预测的、不确定的随机现象；是有序性与无序性，确定性与不确定性融为一 体的现象；它的这些特性不是来自外部干扰，而是系统内部的“非线性交叉耦合 机制 在作用。 虽然混沌没有一个公认的定义，但是可以分析混沌的特征，主要体现仁一哪在： 1 内随机性。 混沌运动是由非线性系统产生，线性不能产生。而很多实际研究的物理系统 是非线性的，混沌运动是一种基本的运动形态，是一种完全无序和无规则的运动， 通常表现出内在随机性和外在的随机性。 2 敏感依赖于初始值。 确定性系统对初值的依赖是不敏感的。而混沌状态的系统，依赖于初始条件， 通常短时间内差异不大，经过较长时间以后，就表现出差别来。从总体来看，初 值的微小的变化最后得到出截然不同的效果，因此混沌系统长期作用的差异表明 对初始值具有敏感性质。 3 正的l y a p u n o v 指a 数。 混沌的基本的特征是在有界的条件下对初始条件的高度敏感性，即两个很靠 近的不同初值所产生的两条轨道，随着时间的推移将以指数方式分离， l y a p u n o v 指数就是用来定量描述这一现象的特征量 4 有界性： 2 第一章绪论 混沌吸引子总体是稳定的。用李氏指数能形容混沌吸引子的局部特征，混沌 吸引子是整体的稳定与局部的不稳定的辩证关系。 5 遍历性。 混沌运动在其混沌吸引域内是各态历经的，即在有限时间内混沌轨道经过混 沌区内每一个状态点。 6 分形性。 混沌系统在相空间中的运动是经过无限次折叠，。分维性正式这样的自相似结 构。因此，混沌具有分形性 7 自相似性 通过放大任一局部混沌吸引子相图，我们发现原局部的相图和放大后的相图 的形状是相似的，因此混沌具有自相似特性。 8 连续功率谱特性 混沌信号具有相迹不闭合特性和非周期的性质。因此，混沌信号具有连续功 率谱。 9 一定条件下两个混沌系统能够同步 混沌同结构同步和异结构同步。这些特性引起了很多研究者的关注。利用这 两个特点，能够实现混沌保密通信，这让混沌在通信领域有应用价值。 在不同文献中，对于混沌的特性的概括与描述也不尽相同。通常情况下， 混沌系统必须具备的是内随机性、敏感依赖于初始条件、有正的l y a p u n o v 指数三 个特征。如果系统符合这几个特性，那么可以称该系统为混沌系统。在研究混沌 运动时，有一些有效方法作为混沌的判据，主要有：o l y a p u n o v 指数：相空间 重构法：测度熵：关联维数：庞加莱截面法：功率谱分析法，这六种方式。 混沌同步是混沌通信的l i 提，为了混沌能在通信领域中起到实际应用，长久 以来，由于混沌的特殊性质，人们认为混沌是不能够同步的，但是直到p o r a 和 c a r r o l l 发现旧1 一个混沌系统的某些相同的子系统在特定条件下可以互相同步，从 而使得人们不断的开始研究混沌在通信领域中的应用。 它的定义为：当两个系统进行同步时，驱动系统可表示为 了d x ：f ( f ，x ) ( 1 2 ) 口i 其中：x = “( f ) ，x 2 ( f ) ，l ，x 。( f ) r f = m ( f ，x ) ，l ，l ( f ，) 7 。若驱动变量是时， 3 广东工业大学硕士学位论文 响应系统则表示如下 攀：f ，o ，x 3 ( 1 3 ) 口f 式中，x = 工：( f ) ，( f ) ，l ，( f ) r 、f = “( ，x ) l l ，正( ，x ) r 为响应系统变量。 并假设满足l i p s c h i t z 条件的，式( 1 2 ) 及式( 1 3 ) 的解为x ( t ；t o ，x 。) 和x ( f ；f o ，托) 。 若有r 。的一个子集d ( r 0 ) ，使得初值k ，x o d ( t 。) 。当，- - b o o 时，如果存在 = l l x ( t ；t 。，x o ) - x ( f ；f 。，x ；) h - , o ( 1 4 ) 则称驱动系统( 1 3 ) 和响应系统( 1 2 ) 同步。常用的混沌系统同步方法有：耦合同 步i s ，驱动一响应同步等。 混沌理论嵋盈1 自从提出来以后得到飞速的发展，特别是近2 0 年来，在各个领 域尤其是混沌保密通信得到了稳健的发展。 混沌学使人们原来限于简单系统的观念发生了革命性的转变，使人们更清楚 地认识了简单与复杂、确定与随机的内在联系，因此有的学者将混沌学誉为本世 纪继相对论与量子论之后的第三次科学革命。 - 1 2 课题选题背景及其意义 二十一世纪是信息化世纪，随着网络技术的发展和i n t e r n e t 的全球化。人们 获得信息的方式也更加容易了。数字信息越来越深入的影响着社会生活的各个方 面，网络正逐步成为人们工作、生活中不可分割的一部分。同时也极大的方便了 世界各国人民的联系和交往。由于互联网的开放性和通用性，所以信息安全问题 也日益突出。人们获得的信息莫过于语音、图像、文字等，其中数字图像逐渐成 为人们获取信息的重要来源，作为网络中最重要的一种信息表达形式，具有形象 直观和生动的优点，由于图像数据具有数据量大、编码结构特殊、实时性要求高 等特点，而传统的数据加密算法如果直接用于图像数据加密，就比较难满足实时 性要求，因此要求对图像数据采用特殊的加密算法，对图像加密然后进行传输也 成为当今信息安全的一种重要方式。 由于图像的大数据容量和高冗余性，由于大多数的数字图像、数字视频都是 以某种格式的压缩形式出现，所以压缩域图像加密算法的研究有着非常重要的意 义。首先对原始图像进行小波变换，然后再对变换后的数据进行混沌加密，随着 混沌的发现，由于混沌系统对初始条件和混沌参数非常敏感，生成的混沌序列具有 4 第一章绪论 非周期性和伪随机性的特性，正是由于混沌的这些特性，使得它非常适合在应用于 图像加密，近年来得到了广泛的应用，利用混沌猫映射来对数字图像进行置乱加 密，这样不仅压缩了图像的数据量，而且可以基于像素点进行空间域的变换加密， 从而可以有效地抵抗统计攻击。这两种技术相结合的必将会对图像的加密技术的 研究产生深远的影响。 - 1 3 国内外混沌保密通信的研究现状 混沌属于非线性动力学系统，它存在于自然界，诸如物理、化学、生物学地 质学，以及技术科学、社会科学等各种学科领域。近1 0 年来，混沌科学更是与其 他科学互相渗透，无论是在生物学、生理学、心理学、数学、信息科学、电子学、 物理学，还是气象学、天文学、经济学，甚至在艺术、音乐等领域，混沌都得到 了比较好的应用。 1 9 9 0 年是非线性混沌科学非凡的一年，混沌控制( 0 g y ) 与同步5 1 ( p e c o r r a , c a r r o l1 ) 取得了突破性进展，同时拉开了国际上混沌保密通信技术及其应用的 序幕。 1 9 9 8 年由美国国防部资助的联合项目中其课题幢就含有“混沌通信系统的基 础性课题 和“非线性动力学的通信装置 等：1 9 9 9 年由空军科研处、美国海军 研究实验室、美国陆军研究处共同资助加州大学和斯坦福大学一起研究混沌通信 课题：“基于半导体激光器的混沌通信一，都取得了很大的成果。数字通信的方 案中的混沌脉冲定位调制( c p p m ) 由n f r u l k o v t j , 组提出，这个方案克服了通信通 道中对噪声的崎变性和敏感性，具有非常好的通信效果。 2 0 0 0 年五位专家l k o c a r e v ，g m m a g g i o ，m o g o r z a l e k ，l p e c o r a 和k y a o 共同主编了“在现代通信系统中混沌的应用 专刊，该专刊“引言一中精辟地概 括和评论了该领域的最新研究成果，指出：“现在国际上基于混沌的通信系统的 发展已经处于成熟状态，已认同几种可行的通信方案颇具特色 ，这更加增强了 人们的信心，看到了混沌通信美好的发展前景。 欧盟的科技框架计划中也设立了o c c u l t 计划，重点研究混沌的光通信，通过 利用半导体激光器来实现。 2 0 0 5 年9 月，参与欧盟的科技计划中的o c c u l t 项目的研究者意大利人 a n n o v a z z i - l o d i 实现了在1 2 k m 短距离光纤中传输电视视频信号的混沌保密通 5 广东工业大学硕士学位论丈 信。同年1 1 月，o c c u l t 项目的小组在希腊使用总长为1 2 0k m 的商用光通信网络成 功进行了数据传输速率为i g b s 、误码率为1 0 。7 的混沌保密通信试验，得到了世界 很大的反响和关注，引起了人们对混沌通信的极大兴趣。 2 0 0 6 年1 0 月1 日至2 0 0 9 年9 月3 0 日欧盟第六届科技框架计划启动了p i c a s s o 计 划，重点对混沌通信系统中的有源和无源器件进行研制，旨在提供可实现波分复 用的混沌通信系统。 2 0 0 8 年，p i c a s s o 计划的小组研制出混沌的光子集成器件从而实现了混沌发 射机。 我国从9 0 年代以来一直关注混沌领域的研究，同时始终关注国内外领域的进 展，每年国家自然科学基金都要资助一些混沌通信的项目，同时信息产业部也有 科技计划项目。虽然与国外相比我们在研究方面还有一定的差距，但是我国在该 领域也取得了与欧美国家相比之中的很大进展。 混沌在通信中的应用利用混沌对初始条件的高度敏感性、宽带谱、长期可预 测、等特点，在通信中获得广泛应用，主要有混沌扩频通信、混沌保密通信、混 沌码分多址( c d m a ) 等。在信息安全领域，常见的一些加密方式根据加密密钥和 解密密钥的关系，加密算法可分为公钥算法( p u