基于混沌系统与元启发式算法优化的图像加密方法研究

《Scientific Reports》：Enhanced chaotic active cryptography using metaheuristic optimization with image-dependent pixel displacement, bitwise operations, and chaotic key generation

　　

摘要

随着数字图像、物联网和智能系统的快速发展，开发安全高效的图像加密方法已成为一项必要任务。与此同时，混沌系统和元启发式算法的应用可以通过增加随机化和优化加密参数，从而提高图像抵抗统计攻击和暴力搜索的能力。本研究提出了一种混沌加密方法，既在生成私钥阶段应用，也在元启发式算法下通过系统改进对图像信息进行加密。在第一阶段，借助洛伦兹混沌模型生成私钥，并利用海星优化算法（SFOA）对该模型进行改进，以最佳方式生成模型参数。随后，在图像加密阶段，采用一种组合加密过程，包括基于以鹅群优化算法（GOA）优化的阿诺德猫混沌系统的像素位置移动，以及基于像素信息的旋转依赖操作和与私钥的异或运算的像素位信息处理操作。通过包括视觉检查、攻击分析和定量评估在内的各种分析手段来评估系统的安全性。NPCR和UACI指标分别为99.72%和34.24%的高值，表明该系统对差分攻击具有良好的抵抗力。此外，与几种先进的加密方法和类似的元启发式算法的比较表明，该方法通过实现8位图像熵值为7.9995，为加密数据提供了高水平的随机性，从而提高了密码学安全性。该密码学方法的结果表明，将其应用于实时加密时具有混沌加密的复杂性，攻击者将无法解密图像。