高级搜索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于正弦反馈Logistic混沌映射的图像加密算法及其FPGA实现

李春彪 赵云楠 李雅宁 孔思晓

李春彪, 赵云楠, 李雅宁, 孔思晓. 基于正弦反馈Logistic混沌映射的图像加密算法及其FPGA实现[J]. 电子与信息学报, 2021, 43(12): 3766-3774. doi: 10.11999/JEIT200575
引用本文: 李春彪, 赵云楠, 李雅宁, 孔思晓. 基于正弦反馈Logistic混沌映射的图像加密算法及其FPGA实现[J]. 电子与信息学报, 2021, 43(12): 3766-3774. doi: 10.11999/JEIT200575
Chunbiao LI, Yunnan ZHAO, Yaning LI, Sixiao KONG. An Image Encryption Algorithm Based on Logistic Chaotic Mapping with Sinusoidal Feedback and Its FPGA Implementation[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2021, 43(12): 3766-3774. doi: 10.11999/JEIT200575
Citation: Chunbiao LI, Yunnan ZHAO, Yaning LI, Sixiao KONG. An Image Encryption Algorithm Based on Logistic Chaotic Mapping with Sinusoidal Feedback and Its FPGA Implementation[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2021, 43(12): 3766-3774. doi: 10.11999/JEIT200575

基于正弦反馈Logistic混沌映射的图像加密算法及其FPGA实现

doi: 10.11999/JEIT200575
基金项目: 国家自然科学基金 (61871230),江苏省自然科学基金 (BK20181410)
详细信息
    作者简介:

    李春彪:男,1971年生,教授,研究方向为非线性电路与系统及其应用

    孔思晓:男,1996年生,硕士生,研究方向为电子与通信工程

    通讯作者:

    李春彪 goontry@126.com; chunbiaolee@nuist.edu.cn

  • 中图分类号: TN911.73; TN918.4

An Image Encryption Algorithm Based on Logistic Chaotic Mapping with Sinusoidal Feedback and Its FPGA Implementation

Funds: The National Natural Science Foundation of China (61871230), The Nature Science Foundation of Jiangsu Province (BK20181410)
  • 摘要: 基于混沌的数字图像加密算法因具有较大的密钥空间和较高的密钥敏感特性等而被广泛地应用。该文在经典Logistic映射中引入正弦反馈,构成新的映射关系,并分析该映射的混沌行为。利用混沌映射导出离散混沌加密序列,并对加密序列进行放大取整,增强其伪随机性;利用NIST随机性测试方法测试了加密序列的伪随机性;将伪随机序列与原始图像进行异或运算,实现图像加密。数值仿真结果表明所提加密算法具有较好的加密效果,其密钥也具有较好的敏感性和伪随机性,最后基于FPGA平台的硬件加密实现了本算法。
  • 图  1  蛛网结构图

    图  2  分岔图和Lyapunov指数谱图

    图  3  敏感性测试

    图  4  引入正弦因子的Logistic加密解密过程

    图  5  新混沌加密系统统计特性

    图  6  典型Logistic混沌加密系统统计特性

    图  7  明文各方向相关系数

    图  8  密文各方向相关系数

    图  9  密钥为$ {x}_{0}=1.0+{10}^{-17} $时的解密过程

    图  10  密钥为$ {x}_{0}=1.0+{10}^{-15} $时的解密过程

    图  11  系统加密结构框图

    图  12  系统解密结构框图

    图  13  加密系统RTL图

    图  14  解密系统RTL图

    图  15  Signal Tap时序图

    图  16  FPGA实验结果VGA显示图

    表  1  NIST标准伪随机测试结果

    测试编号测试名称P_value测试通过率(%)
    1频率(单比特)测试0.96429099
    2块内频数测试0.181557100
    3游程测试0.40119999
    4块内最大游程测试0.779188100
    5二元矩阵秩测试0.004981100
    6频谱测试0.304126100
    7非重叠字匹配测试0.53414697
    8重叠字匹配测试0.21339099
    9Maurer通用统计检测0.178278100
    10线性复杂度测试0.26224998
    11系列测试0.05898499
    12近似熵测试0.178876100
    13累积和测试0.81653798
    14随机游程测试0.535328所有数据为一个数据块,大小为30 MB,不计通过率
    15随机游程变量测试0.532553
    下载: 导出CSV

    表  2  信息熵实验结果

    明文密文
    7.60057.9987
    下载: 导出CSV

    表  3  图像的相邻像素相关性

    图像水平垂直对角线
    Lena明文0.97650.95970.9420
    密文–0.0082–0.00540.0020
    下载: 导出CSV
  • [1] LI Chengqing, ZHANG Yun, Xie E Y. When an attacker meets a cipher-image in 2018: A year in review[J]. Journal of Information Security and Applications, 2019, 48: 102361. doi: 10.1016/j.jisa.2019.102361
    [2] 张慧奔. 基于混沌图像加密算法的研究[D]. [硕士论文], 电子科技大学, 2015.

    ZHANG Huiben. Chaotic image encryption algorithm research[D]. [Master dissertation], University of Electronic Science and Technology of China, 2015.
    [3] YOON J W and KIM H. An image encryption scheme with a pseudorandom permutation based on chaotic maps[J]. Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 2010, 15(12): 3998–4006. doi: 10.1016/j.cnsns.2010.01.041
    [4] PENG Yuexi, SUN Kehui, and HE Shaobo. Dynamics analysis of chaotic maps: From perspective on parameter estimation by meta-heuristic algorithm[J]. Chinese Physics B, 2020, 29(3): 030502. doi: 10.1088/1674-1056/ab695c
    [5] 徐红梅, 郭树旭. 基于符号相对熵的Logistic混沌系统时间不可逆性分析[J]. 电子与信息学报, 2014, 36(5): 1242–1246. doi: 10.3724/SP.J.1146.2013.01262

    XU Hongmei and GUO Shuxu. Time irreversibility analysis of logistic chaos system based on symbolic relative entropy[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2014, 36(5): 1242–1246. doi: 10.3724/SP.J.1146.2013.01262
    [6] 郑继明, 汤智睿, 邓建秀, 等. 基于Logistic混沌映射的数字图像加密算法[J]. 科技与创新, 2018(18): 8–11. doi: 10.15913/j.cnki.kjycx.2018.18.008

    ZHEN Jiming, TANG Zhirui, DENG Jianxiu, et al. Digital image encryption algorithm based on Logistic chaotic map[J]. Science and Technology &Innovation, 2018(18): 8–11. doi: 10.15913/j.cnki.kjycx.2018.18.008
    [7] 陈志刚, 梁涤青, 邓小鸿, 等. Logistic混沌映射性能分析与改进[J]. 电子与信息学报, 2016, 38(6): 1547–1551. doi: 10.11999/JEIT151039

    CHEN Zhigang, LIANG Diqing, DENG Xiaohong, et al. Performance analysis and improvement of Logistic chaotic mapping[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2016, 38(6): 1547–1551. doi: 10.11999/JEIT151039
    [8] 陶红. 基于Logistic混沌序列的图像加密设计[D]. [硕士论文], 东南大学, 2018.

    TAO Hong. Design of image encryption algorithm based on Logistic chaotic sequence[D]. [Master dissertation], Southeast University, 2018.
    [9] 齐红涛, 苏涛. 基于FPGA的高速AD采样设计[J]. 航空兵器, 2010(1): 35–39. doi: 10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2010.01.009

    QI Hongtao and SU Tao. Design of high AD sampling based on FPGA[J]. AERO Weaponry, 2010(1): 35–39. doi: 10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2010.01.009
    [10] MAY R M. Simple mathematical models with very complicated dynamics[J]. Nature, 1976, 261(5560): 459–467. doi: 10.1038/261459a0
    [11] 高智中, 李会芳. Logistic的混沌分析及其控制[J]. 运城学院学报, 2006, 24(2): 12–14. doi: 10.15967/j.cnki.cn14-1316/g4.2006.02.006

    GAO Zhizhong and LI Huifang. Chaos analysis and chaos controlling of Logistic map[J]. Journal of Yuncheng University, 2006, 24(2): 12–14. doi: 10.15967/j.cnki.cn14-1316/g4.2006.02.006
    [12] 张双红. Logistic模型的Matlab计算与可视化[J]. 吉林师范大学学报: 自然科学版, 2009, 30(3): 97–99. doi: 10.16862/j.cnki.issn1674-3873.2009.03.024

    ZHANG Shuanghong. Calculation and visualization of Logistic model by using Matlab[J]. Jilin Normal University Journal:Natural Science Edition, 2009, 30(3): 97–99. doi: 10.16862/j.cnki.issn1674-3873.2009.03.024
    [13] 罗利军, 李银山, 李彤, 等. 李雅普诺夫指数谱的研究与仿真[J]. 计算机仿真, 2005, 22(12): 285–288. doi: 10.3969/j.issn.1006-9348.2005.12.080

    LUO Lijun, LI Yinshan, LI Tong, et al. Research and simulation of Lyapunov’s exponents[J]. Computer Simulation, 2005, 22(12): 285–288. doi: 10.3969/j.issn.1006-9348.2005.12.080
    [14] 毛骁骁, 孙克辉, 刘文浩. 基于分数阶统一混沌系统的图像加密算法[J]. 传感器与微系统, 2017, 36(6): 138–141. doi: 10.13873/j.1000-9787(2017)06-0138-04

    MAO Xiaoxiao, SUN Kehui, and LIU Wenhao. Image encryption algorithm based on fractional order unified chaotic system[J]. Transducer and Microsystem Technologies, 2017, 36(6): 138–141. doi: 10.13873/j.1000-9787(2017)06-0138-04
    [15] 李付鹏, 刘敬彪, 王光义, 等. 基于混沌集的图像加密算法[J]. 电子与信息学报, 2020, 42(4): 981–987. doi: 10.11999/JEIT190344

    LI Fupeng, LIU Jingbiao, WANG Guangyi, et al. An image encryption algorithm based on chaos set[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2020, 42(4): 981–987. doi: 10.11999/JEIT190344
    [16] 马上, 刘剑锋, 杨泽国, 等. 基于余数系统与置换多项式的高速长周期伪随机序列生成方法[J]. 电子与信息学报, 2018, 40(1): 42–49. doi: 10.11999/JEIT170421

    MA Shang, LIU Jianfeng, YANG Zeguo, et al. A method of generating high speed and long period pseudo-random sequence based on residue number system and permutation polynomial[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2018, 40(1): 42–49. doi: 10.11999/JEIT170421
    [17] 肖成龙, 孙颖, 林邦姜, 等. 基于神经网络与复合离散混沌系统的双重加密方法[J]. 电子与信息学报, 2020, 42(3): 687–694. doi: 10.11999/JEIT190213

    XIAO Chenglong, SUN Ying, LIN Bangjiang, et al. Double encryption method based on neural network and composite discrete chaotic system[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2020, 42(3): 687–694. doi: 10.11999/JEIT190213
    [18] 郭媛, 周艳艳, 敬世伟. 基于图像重组和比特置乱的多图像加密[J]. 光子学报, 2020, 49(4): 0410002. doi: 10.3788/gzxb20204904.0410002

    GUO Yuan, ZHOU Yanyan, and JING Shiwei. Multiple-image encryption based on image recombination and bit scrambling[J]. Acta Photonica Sinica, 2020, 49(4): 0410002. doi: 10.3788/gzxb20204904.0410002
    [19] 刘旭. 基于深度学习对一类混沌图像加密算法进行安全性分析[D]. [硕士论文], 南京邮电大学, 2019.

    LIU Xu. Security analysis of a class of chaotic image encryption algorithm based on deep learning[D]. [Master dissertation], Nanjing University of Posts and Telecommunications, 2019.
    [20] 向滔. 基于混沌的数字图像加密算法的分析与设计[D]. [硕士论文], 重庆大学, 2014.

    XIANG Tao. Analysis and designs of digital image encryption algorithm based on chaos[D]. [Master dissertation], Chongqing University, 2014.
  • 加载中
图(16) / 表(3)
计量
  • 文章访问数:  904
  • HTML全文浏览量:  554
  • PDF下载量:  124
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2020-07-13
  • 修回日期:  2021-03-28
  • 网络出版日期:  2021-06-02
  • 刊出日期:  2021-12-21

目录

    /

    返回文章
    返回