基于SHA-256驱动的自适应图像相关置换-扩散多PWLCM图像加密方案

《Scientific Reports》：A SHA-256 driven multi-PWLCM image encryption scheme with adaptive image-dependent permutation-diffusion

　　

摘要

随着数字图像在开放且不安全的通信信道上传输日益增长，对鲁棒且计算高效的图像加密技术的需求变得愈发重要。本文提出了一种由SHA-256驱动的自适应图像相关置换-扩散多PWLCM图像加密方案，用于安全地保护视觉数据。与构建新的混沌系统不同，所提出的框架在依赖于明文且功能角色分离的架构中采用了三个传统的分段线性混沌映射（PWLCM）实例。由明文派生的SHA-256信息多样化了三个PWLCM的工作初始条件和控制参数，同时PWLCM实例分别被明确分配给行置换、XOR扩散和列置换。自适应的哈希相关翻转机制进一步引入了图像相关的空间变换，同时相同的处理框架支持灰度图像和彩色图像。安全性行为通过直方图和卡方分析、相邻像素相关性、全局和局部信息熵、差分分析、密钥敏感性、基于选择明文和密文的密码分析评估、噪声与裁剪鲁棒性以及统计随机性测试进行评估。此外，还对PWLCM生成序列的直接随机性评估以及IEEE-754双精度算术下的有限精度分析进行了执行，以评估底层混沌生成器的数值行为。实验结果显示密文分布接近均匀，信息熵接近8位数据的理论值，相邻像素相关性较低，NPCR和UACI值接近其预期水平。选择明文实验进一步表明，生成的行置换索引、列置换索引和扩散密钥元素存在显著的明文相关变化，从而限制了在不同明文之间直接复用所测试的等价置换-扩散信息。计算分析表明，主要逐像素操作为线性复杂度，而序列排序决定了保守的总体复杂度上界为 \(O(P\log P)\)。总体而言，结果表明在相对紧凑的图像加密架构中，结合明文相关参数多样化、轻量级PWLCM的显式功能分离以及统一的灰度/彩色处理是可行的。