隨著網絡技術和信息技術的飛速發(fā)展，數(shù)字圖像因能生動、直觀、便捷和迅速地傳達信息，其應用極其廣泛�？梢哉f，人們工作和生活的方方面面都離不開數(shù)字圖像。各行各業(yè)在其形形色色的生產和經營活動中也都需要廣泛運用數(shù)字圖像。然而，數(shù)字圖像的廣泛運用在給人們帶來便利的同時，也帶來了巨大的信息安全挑戰(zhàn)。因此，為了確保商業(yè)安全、軍事安全和實現(xiàn)隱私保護等，人們迫切希望在數(shù)字圖像的傳輸、使用和存儲過程中為其提供安全、高效的保護。眾所周知，在各種各樣的圖像數(shù)據(jù)保護技術中，圖像加密是最便捷和最有效的一種。經過加密得到的密文圖像看起來類似于噪聲圖像，可以很好地掩蓋原有的圖像信息。在沒有正確的秘密密鑰的情況下，攻擊者難以從中獲取有價值的信息。值得注意的是，圖像數(shù)據(jù)具有許多不同于文本數(shù)據(jù)的顯著特征，比如數(shù)據(jù)量大、信息冗余度高、相鄰像素間相關性強等。這樣一來，在諸如工業(yè)物聯(lián)網等許多新興應用場景中，主要針對文本數(shù)據(jù)而設計的傳統(tǒng)加密方案，比如數(shù)據(jù)加密標準（Data Encryption Standard，DES）、高級加密標準（Advanced Encryption Standard，AES）和國際數(shù)據(jù)加密算法（International Data Encryption Algorithm，IDEA），都無法很好地滿足保護圖像數(shù)據(jù)的要求。目前，圖像加密的相關研究正越來越受到廣大研究人員的重視，他們正致力于使用新的技術和方法來提高圖像加密的安全性與效率，以便能更好地滿足人們對于圖像數(shù)據(jù)的加密保護需求。在這些新技術和新方法中，基于混沌系統(tǒng)的圖像加密算法或方案（為簡單起見，后面將圖像加密算法或圖像加密方案統(tǒng)稱為圖像加密算法）得到了眾多研究人員的青睞。
　　自1963年Lorenz發(fā)現(xiàn)第一個混沌吸引子以來，混沌系統(tǒng)已經被廣泛地應用于包括系統(tǒng)優(yōu)化、神經網絡、圖像數(shù)據(jù)處理、高速檢索、模式識別和故障診斷在內的眾多領域。作為一種確定性的偽隨機和非線性現(xiàn)象，混沌系統(tǒng)具有許多非常適合現(xiàn)代密碼系統(tǒng)設計要求的特性。例如，混沌系統(tǒng)的軌跡對其初始狀態(tài)值和控制參數(shù)極其敏感，即使兩者只發(fā)生極小的變化，混沌系統(tǒng)也會呈現(xiàn)出完全不同的軌跡�；煦缦到y(tǒng)的這一特性使得其初始狀態(tài)值或控制參數(shù)非常適合用作密碼系統(tǒng)的秘密密鑰。因此，近年來有越來越多的研究人員利用混沌系統(tǒng)來設計新的圖像加密算法，這些新的圖像加密算法即所謂的混沌圖像加密算法。
　　密碼分析作為密碼學的一個重要分支，對加密技術的發(fā)展起著至關重要的推動作用。與圖像加密算法的設計者一樣，也有許多研究人員致力于圖像加密算法的密碼分析研究。他們的工作主要是基于現(xiàn)代密碼學的相關知識和原理，對設計者們提出的圖像加密算法的安全性進行分析與驗證，同時也對這些圖像加密算法的可行性、實用性和合理性進行評估。毫無疑問，對于密碼分析工作中所指出的現(xiàn)有圖像加密算法中存在的安全性、可行性、實用性和合理性問題，后續(xù)的圖像加密算法的設計者都會予以重視，從而避免類似問題的再次發(fā)生�？梢哉f，針對圖像加密算法的密碼分析研究是圖像加密技術健康發(fā)展的重要保障。
　　本書內容分為7章，主要聚焦于現(xiàn)有圖像加密算法的安全性分析與驗證，同時也指出了所分析的圖像加密算法中存在的一些可行性、實用性和合理性問題。在對三種具有代表性的圖像加密算法進行安全性分析之后，本書也提出了兩種新穎的圖像加密算法，以解決目前圖像加密算法中存在的一些問題，從而為未來的圖像加密研究人員提供有益參考。各章主要內容如下：
　　第1章包括混沌圖像加密的發(fā)展情況、混沌圖像加密的相關基本概念以及混沌圖像加密的發(fā)展趨勢，主要是對混沌圖像加密及安全性分析的研究背景、研究內容、國內外研究現(xiàn)狀以及研究意義進行簡要介紹。
　　第2章首先對基于集成式混沌系統(tǒng)的圖像加密算法（Integrated Chaotic Systems Based Image Encryption algorithm，ICS-IE）進行了簡要介紹，然后描述了ICS-IE在整數(shù)序列轉換、行列置換、隨機數(shù)的使用、模數(shù)使用、擴散過程、密鑰流以及解密密鑰流重建方面存在的一些問題。接下來，對ICS-IE進行了必要的改進，并對其進行了密碼分析。在密碼分析的基礎上，提出了可以完全恢復明文圖像的選擇明文攻擊算法。隨后還就加密過程中使用的模數(shù)以及攻擊算法的有效性與可行性進行了測試。最后，本章從混沌序列的使用、加密過程設計以及抵御特定攻擊的能力三方面，提出了進一步改進ICS-IE的建議。
　　第3章首先對基于DNA編碼和擾亂的超混沌圖像加密算法（DNA encoding and Scrambling based Hyperchaotic Image Encryption Scheme，DS-HIES）的三個主要加密步驟進行了簡要介紹。然后描述了DS-HIES算法中存在的問題，并就這些問題進行了改進或提出了改進建議。接下來，對DS-HIES進行了密碼分析并提出了具體的攻擊算法。隨后又就DS-HIES的明文敏感性以及攻擊算法的有效性與可行性進行了測試。最后，本章就混沌系統(tǒng)初始值的生成、混沌序列的使用和加密過程的設計等方面，闡述了進一步改進DS-HIES的建議。
　　第4章首先對基于二維混沌映射的圖像加密算法（2D Logistic Adjusted Sine map based Image Encryption Scheme， LAS-IES）進行了簡要介紹。然后描述了LAS-IES算法在算法描述、混沌矩陣生成、混沌系統(tǒng)參數(shù)生成、等價秘密密鑰、隨機值插入、置換過程以及密鑰流等方面存在的問題。接下來，對LAS-IES進行了密碼分析，并提出了通過選擇明文攻擊來構建和求解異或方程組的攻擊算法。隨后通過模擬測試驗證了攻擊算法的有效性和可行性。最后，本章也提出了進一步改進LAS-IES的建議。
　　第5章提出了一種基于離散對數(shù)和憶阻混沌系統(tǒng)的混沌圖像加密算法（Discrete logarithm and Memristive chaotic system based Image Encryption algorithm，DLM-IE）。首先，對憶阻混沌系統(tǒng)、混沌序列的生成以及離散對數(shù)進行了簡要介紹。然后，本書對基于離散對數(shù)和憶阻混沌系統(tǒng)的圖像加密算法的主要加密步驟進行了介紹。接下來，從密鑰敏感性、密鑰空間、像素間關聯(lián)性、信息熵、選擇明文攻擊等方面測試和分析了DLM-IE的安全性，并與一些最新的混沌圖像加密算法進行了對比分析。相關的模擬測試和對比分析表明，該混沌圖像加密算法具有極高的實用性和安全性。
　　第6章提出了一種基于離散對數(shù)和DNA序列操作的明文相關的混沌圖像加密算法（Plain image related Chaotic Image Encryption algorithm based on DNA sequence operation and Discrete logarithm，DD-PCIE）。首先，對明文圖像散列值的使用、離散對數(shù)的使用、DNA序列操作以及2D-LSCM進行了簡要介紹。然后，詳細地描述和分析了DD-PCIE的主要加密步驟，即明文相關的置換與更新、明文相關的DNA序列操作以及明文相關的擴散。接下來，從密鑰空間、密鑰敏感性、像素值分布、信息熵、像素關聯(lián)性、明文敏感性、選擇明文攻擊、加密效率等方面，對PP-DCIE進行了模擬測試和對比分析。相關的測試和分析表明，PP-DCIE不僅具有極高的加密效率，還擁有極高的明文相關性和明文敏感性，能夠有效抵御選擇各種常見攻擊。
　　第7章對全書內容進行了總結，概述了全書所展現(xiàn)的研究成果和創(chuàng)新點，然后對混沌圖像加密的未來發(fā)展方向和趨勢進行了討論。
　　本書由攀枝花市指導性科技計劃項目（編號：2020ZD-S-40）和攀枝花學院博士科研啟動項目（編號：2020DOC0019）資助出版。
　　在多方面的幫助與支持之下，本書得以順利出版。作者在此感謝母校合肥工業(yè)大學的培養(yǎng)以及所在工作單位攀枝花學院的大力支持；感謝導師何怡剛教授的悉心指導和諄諄教誨；感謝攀枝花學院的張靖教授、秦振濤教授、鐘玉泉教授和羅學剛副教授，感謝你們在工作中所給予的指導與支持；感謝湖南理工學院的李宏民教授與李春來教授、湘潭大學的李澄清教授、南京航空航天大學的張玉書研究員、安慶師范大學的張朝龍副教授以及華東理工大學的鄧芳明副教授等，感謝你們在科研方面所給予的無私幫助與支持。
　　最后，鄭重感謝西南交通大學出版社理工分社黃慶斌社長以及出版社其他相關領導和工作人員，感謝你們?yōu)楸緯�出版所提供的鼎力支持以及所付出的巨大努力�?