隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)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(dá)信息，其應(yīng)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(chǎn)和經(jīng)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(hù)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(hù)。眾所周知，在各種各樣的圖像數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)中，圖像加密是最便捷和最有效的一種。經(jīng)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(guān)性強(qiáng)等。這樣一來，在諸如工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等許多新興應(yīng)用場景中，主要針對文本數(shù)據(jù)而設(shè)計的傳統(tǒng)加密方案，比如數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)（Data Encryption Standard，DES）、高級加密標(biāo)準(zhǔn)（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(hù)圖像數(shù)據(jù)的要求。目前，圖像加密的相關(guān)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(shù)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(hù)需求。在這些新技術(shù)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(jīng)被廣泛地應(yīng)用于包括系統(tǒng)優(yōu)化、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖像數(shù)據(jù)處理、高速檢索、模式識別和故障診斷在內(nèi)的眾多領(lǐng)域。作為一種確定性的偽隨機(jī)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(shè)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(shè)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(xué)的一個重要分支，對加密技術(shù)的發(fā)展起著至關(guān)重要的推動作用。與圖像加密算法的設(shè)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(xué)的相關(guān)知識和原理，對設(shè)計者們提出的圖像加密算法的安全性進(jìn)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(jìn)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(shè)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(shù)健康發(fā)展的重要保障。
　　本書內(nèi)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(jìn)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(nèi)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(guān)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(nèi)容、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及研究意義進(jìn)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(jìn)行了簡要介紹，然后描述了ICS-IE在整數(shù)序列轉(zhuǎn)換、行列置換、隨機(jī)數(shù)的使用、模數(shù)使用、擴(kuò)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(jìn)行了必要的改進(jìn)，并對其進(jìn)行了密碼分析。在密碼分析的基礎(chǔ)上，提出了可以完全恢復(fù)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(jìn)行了測試。最后，本章從混沌序列的使用、加密過程設(shè)計以及抵御特定攻擊的能力三方面，提出了進(jìn)一步改進(jìn)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(jìn)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(jìn)行了改進(jìn)或提出了改進(jìn)建議。接下來，對DS-HIES進(jìn)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(jìn)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(shè)計等方面，闡述了進(jìn)一步改進(jìn)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(jìn)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(jī)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(jìn)行了密碼分析，并提出了通過選擇明文攻擊來構(gòu)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(jìn)一步改進(jìn)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(jìn)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(jìn)行了介紹。接下來，從密鑰敏感性、密鑰空間、像素間關(guān)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(jìn)行了對比分析。相關(guān)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(guān)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(jìn)行了簡要介紹。然后，詳細(xì)地描述和分析了DD-PCIE的主要加密步驟，即明文相關(guān)的置換與更新、明文相關(guān)的DNA序列操作以及明文相關(guān)的擴(kuò)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(guān)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(jìn)行了模擬測試和對比分析。相關(guān)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(guān)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(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)，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(jìn)行了討論。
　　本書由攀枝花市指導(dǎo)性科技計劃項目（編號：2020ZD-S-40）和攀枝花學(xué)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(xué)的培養(yǎng)以及所在工作單位攀枝花學(xué)院的大力支持；感謝導(dǎo)師何怡剛教授的悉心指導(dǎo)和諄諄教誨；感謝攀枝花學(xué)院的張靖教授、秦振濤教授、鐘玉泉教授和羅學(xué)剛副教授，感謝你們在工作中所給予的指導(dǎo)與支持；感謝湖南理工學(xué)院的李宏民教授與李春來教授、湘潭大學(xué)的李澄清教授、南京航空航天大學(xué)的張玉書研究員、安慶師范大學(xué)的張朝龍副教授以及華東理工大學(xué)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(xué)出版社理工分社黃慶斌社長以及出版社其他相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)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�?