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硕 士 学 位 论 文


基于交叉置乱和 DNA 编码的混沌图像加密算法
Chaos based image encryption schema using interweaving shuffle
and DNA encoding









作 者 姓 名： 刘传明
学科、 专业： 计算机软件与理论
学 号： 21409134
指 导 教 师： 王兴元
完 成 日 期： 2017 年 5 月



大连理工大学
Dalian University of Technology
大连理工大学硕士学位论文
摘 要
近些年来，随着计算机软硬件计算能力的增强，大数据、云计算以及人工智能等技
术不断发展，人们已经能够获取到足够强大的计算能力来完成过去看似不可能完成的任
务，例如破解一些图像加密算法。所以，改进传统图像加密算法或研究新的图像加密算
法已经成为重要的研究目标。其中，基于混沌的图像加密算法独树一帜，越来越多的基
于混沌的图像加密算法被学者提出来，成为安全领域的热点研究话题。但在这些研究中
仍存在一些创新问题和性能问题，例如图像置乱方法低效。作者在阅读分析大量学者研
究成果的基础之上，针对这些问题提出了如下几种具有创新性并且满足安全性能要求的
混沌图像加密算法。
(1) 基于高效行列交叉置换的混沌图像加密方法。置乱是混沌图像加密过程中两个
主要操作之一，另一个是混淆。一种高性能且能满足性能要求的置乱方法必须具有很强
且高效的图像像素的遍历能力，也就是说能够最大限度的在不改变原始像素值的基础上
将原始像素的位置进行改变。本算法利用了一种类似于“拧魔方”的方法来高效的置乱
并扩散原始图像，每次同时操作图像上下左右四个方向的行或列的像素。
(2) 基于脱氧核糖核酸 (Deoxyribonucleic Acid, DNA)编码的混沌加密方案。基础的
DNA 编码规则和 DNA 操作类型被混沌生成的伪随机数列给动态的更改，直观的看就像
是 DNA 发生恶性质变的过程。这种性质提高了混沌加密图像过程中的随机性和混乱程
度，充分地利用了有限的编码种类和操作类型。DNA 编码的规则和 DNA 操作的种类都
是动态的决定。
(3) 基于两级加密方案的混沌加密算法。两级加密就是一级以像素为操作粒度，另
一级以比特位为操作粒度。在本算法中，定制化全局耦合映射格子模型(Customized
Globally Coupled Map Lattice, CGCML) 被首次提出，改进了传统耦合映射格子驱动方程
单一化的问题，很大程度上增加了密钥空间并且拥有更好的全局混沌特性。
作者提出的这几种加密方案是递进关系。其中，部分(1)着重介绍高效的置乱方法，
性能是这部分关注的重点；部分(2)介绍充分利用有限 DNA 编码技术的加密方案，创新
性是重点；部分(3)则在前两部分的研究基础之上进行优化，并使用提出的 CGCML 模型
来加密图像，安全性是重点。
关键词：图像加密；混沌；高效行列置换；DNA 编码；定制化全局耦合映射格子
模型
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基于交叉置乱和 DNA 编码的混沌图像加密算