前言

密码学是信息安全研究领域的核心学科，是研究信息安全获取、安全存储与安全传播的理论。通俗地说，密码学是研究将信息转化为秘密信息的算法的科学。一般地，信息是指有价值的消息，在密码学中，原始的信息被称为明文，转化后的秘密信息被称为密文，转化过程或规则称为加密，加密过程中使用的伪随机数序列称为密码，产生密码的关键信息称为密钥。因此，加密系统至少包括五个要素，即密钥、密码（或密码生成算法或规则）、明文、密文、加密算法（或规则）。解密系统是加密系统的逆系统，也至少包括五个要素，即密钥、密码（或密码生成算法或规则）、明文、密文、解密算法（或规则）。这里，解密算法是加密算法的逆过程。一个典型的密码系统如下所示。

在密码系统中，如果加密过程的密钥与解密过程的密钥相同，此类加密系统称为对称密码系统，或称私钥密码系统（private key cryptosystem），如DES（Data Encryption Standard，数据加密标准）和AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准）加密系统； 如果加密过程的密钥与解密过程的密钥不同，此类加密系统称为非对称密码系统，或称公钥密码系统（public key cryptosystem），如RSA（由Ron Rivest、Adi Shamir和Leonard Adleman三位科学家提出）加密系统。目前，大部分密码学专家坚持这样的观点，即公钥密码系统主要用于通信双方交换私钥（或称对称密钥），或者由权威机构向其授权通信方广播私钥； 而保密通信中信息的加密主要是通过私钥密码系统实现的。

尽管DES和AES仍然是当前应用最广泛的对称密码算法，但是，这两种算法主要用于加密文本信息，一般不适合用于加密数据量大、冗余度大和相关性强的数字图像信息，这促使密码学家寻求新型的快速数字图像加密算法。20世纪70年代发展起来的混沌理论，为产生具有优良统计特性的伪随机数奠定了理论基础，并且混沌系统的初值与参数极端敏感性、非周期性和长期演化轨道不可预测性等特性与图像加密系统的密钥敏感性、密文呈噪声特性和明文敏感性等特性相对应。因此，基于混沌系统的密码产生算法及其在数字图像加密研究方面的应用受到了广泛关注，并逐渐成长为密码学的一个重要研究分支，且隶属于对称密码系统的范畴。

本书研究基于混沌系统的数字图像密码方案与算法及其安全性能分析，重点在于阐述明文关联的快速数字图像加密算法及其安全性能。本书中的加密/解密算法和安全性能分析均基于MATLAB和Mathematica软件，但书中给出的程序代码均基于MATLAB软件。

全书内容共分为6章。

第1章讨论基于混沌系统的数字图像密码系统研究的发展历程，将该项研究的发展历程分为三个时期，即初期、蓬勃发展期和成熟期，分析了各个发展时期具有代表性的混沌数字图像密码系统的特点。

第2章阐述常用于数字图像密码系统的混沌系统，分析了混沌系统Lyapunov指数的计算方法，讨论了连续混沌系统的龙格库塔（RungeKutta）数值离散化随机数生成方法，并借助NIST（National Institute of Standards and Technology，美国国家标准与技术研究所）统计测试套件（Statistical Test Suite）测试了混沌序列的伪随机特性。

第3章介绍受到广泛关注的经典混沌数字图像密码方案与算法，界定了置乱算法与扩散算法的概念，然后深入讨论了图像加密系统中常用的置乱算法，分析了只有置乱算法的图像加密系统的安全性能，接着，重点讨论了基于“异或”运算、“加取模”运算、循环移位运算和域运算等的扩散算法。

第4章全面分析基于混沌系统的数字图像密码方案的安全性能，主要包括七个方面，即加密与解密速度、密钥空间、密文统计特性、密钥敏感性分析、明文敏感性分析、密文敏感性分析和信息熵。针对每个方面，均深入研究了其对应的数量指标和理论指标值。

第5章重点阐述明文关联的混沌数字图像密码方案与算法，提出了“扩散—置乱—扩散”的数字图像加密方案，基于该方案论证了明文关联的置乱算法与明文无关的扩散算法相结合的快速加密算法的安全性，并深入研究了加密算法与解密算法完全相同的新型图像加密算法。

第6章分析基于DNA计算与混沌系统的数字图像密码系统，讨论了常用DNA编码与计算方法及其面临的挑战。然后，展望了基于量子计算与混沌系统的数字图像密码系统。

本书由国家自然科学基金（编号： 61562035）和江西省自然科学基金（编号： 20161BAB202058）资助出版。

感谢江西财经大学软件与通信工程学院唐颖军博士、陈滨博士、廖汉程博士、吴文华副教授和邓松博士等专家学者在科研与教学方面对作者的关心与支持，感谢他们对书中核心理论和重要思想的启示和引导，感谢研究生侯文刚、张琼、李雪倩、于曼丽、何维和彭锦同学在图像密码算法的MATLAB和Mathematica实现方面所做的大量仿真实验工作，感谢我的爱人贾晓天老师在资料检索、书稿校正与文献整理等烦琐工作上为我节省了大量宝贵的时间。感谢清华大学出版社工作人员为本书出版所做的辛勤工作。

除了我们在混沌数字图像密码技术方面的研究成果外，本著作还引用了大量同行专家学者的文献，这些参考文献均为该研究领域中颇有影响力且备受关注的研究成果，但是，限于篇幅，相信仍有大量重要的文献资料被疏漏（特别是中文文献资料）。同时，由于作者水平有限，且该研究领域飞速发展，使得书中难免出现各种错误与不足，恳请同行专家和读者朋友批评指正（Email： zhangyong@jxufe.edu.cn）。

张勇

于江西财经大学枫林园

2016年5月