混沌密碼與數(shù)字圖像加密應(yīng)用實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與實(shí)驗(yàn)報(bào)告（1）學(xué)科：信息與網(wǎng)絡(luò)安全學(xué)號(hào)：20134088141姓名：羊波時(shí)間：11月3日實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：混沌密碼與數(shù)字圖像加密應(yīng)用、信息隱藏實(shí)驗(yàn)?zāi)康模豪肕atlab軟件基于Logistic映射的加密算法對(duì)圖像進(jìn)行加密和解密，以及利用DEVC++軟件、Excel表格繪制圖像基于Logistic映射的算法產(chǎn)生的混沌現(xiàn)象。理解Logistic加密算法，掌握加密過(guò)程。一、實(shí)驗(yàn)步驟：1.完成實(shí)驗(yàn)教程1-32.登錄網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)修改作業(yè)發(fā)布密碼，上傳實(shí)驗(yàn)報(bào)告一3.注冊(cè)百度知道號(hào)，并加入知行網(wǎng)絡(luò)團(tuán)隊(duì)。一、實(shí)驗(yàn)原理1.混沌的定義混沌(Chaos)是非線性確定性系統(tǒng)中具有的內(nèi)在隨機(jī)現(xiàn)象，具有運(yùn)動(dòng)軌跡的不可預(yù)測(cè)性、對(duì)系統(tǒng)初值和控制參數(shù)的敏感性以及運(yùn)動(dòng)軌跡的遍歷特性等。第一種定義是基于混沌的“蝴蝶效應(yīng)”，即倘若一個(gè)非線性系統(tǒng)的行為對(duì)初始條件的微小變化具有高度敏感的依賴(lài)性，則稱(chēng)混沌運(yùn)動(dòng)。這就是說(shuō)，一個(gè)系統(tǒng)的混沌行為對(duì)初始條件的變化具有高度敏感性，表現(xiàn)出極端的不穩(wěn)定性。這種高度不穩(wěn)定性，是指在相空間內(nèi)初始極其鄰近的兩條軌道，隨著時(shí)間的推進(jìn)，兩條軌道的距離彼此以指數(shù)形式迅速分離而永不相遇，它們的行為具有局部不穩(wěn)定性。第二種混沌定義是基于Li-Yorke定理，從數(shù)學(xué)上嚴(yán)格定義。Li-Yorke定理為：設(shè)f(x)是[a,b]上的連續(xù)自映射，若f(x)有3個(gè)周期點(diǎn)，則對(duì)任何正整數(shù)n，f(x)有n周期點(diǎn)?；煦缍x如下：閉區(qū)間I上的連續(xù)自映射f(x),倘若滿(mǎn)足條件，則一定出現(xiàn)混沌現(xiàn)象：窗口，如下圖2所示：圖2在Matlab中輸入的編程程序輸入完成后，按回車(chē)鍵，程序會(huì)運(yùn)行得出5張圖片，分別為加密前的原圖和加密后的圖片、加密前的直方圖和加密后的直方圖。如下圖3、圖4、圖5、圖6所示：圖3加密前的原圖圖4加密后的圖片圖5加密前的直方圖圖6加密后的直方圖說(shuō)明：加密后的灰度直方圖分析可以用來(lái)衡量加密算法的擾亂性。上圖3、圖4、圖5、圖6是加密前后的圖像以及它們的直方圖的對(duì)比?？梢?jiàn)，加密后的直方圖呈均勻分布，未保留任何明文信息。圖6加密后的直方圖的圖像越均勻說(shuō)明混沌效應(yīng)越好，上圖6總體上來(lái)說(shuō)是均勻的，只是在編程的時(shí)候考慮的只是黑白色的點(diǎn)，所以直方圖看起來(lái)全部的點(diǎn)不是絕對(duì)的均勻。解密過(guò)程：⑦如果想得到原圖（解密），必須在MATLAB界面窗口輸入兩個(gè)密鑰，“請(qǐng)輸入密匙key1：0.1請(qǐng)輸入密匙key2：0.2”；圖7解密之后得到的原圖從上圖可以看出，加密后的圖像沒(méi)有留下原圖的痕跡，而解密后的圖像看不出差別，此方法加密效果良好。換一副帶有彩色256×256的圖像111.gif為例，利用MATLAB軟件進(jìn)行圖像加密，加密程序跟上面的差不多，只是把圖片名稱(chēng)改了，步驟以上的也一樣如下所示：把修改圖片名稱(chēng)后的程序輸入Matlab軟件中，如下圖8所示：圖8修改圖片的名稱(chēng)運(yùn)行之后得出來(lái)的結(jié)果如下圖9、圖10、圖11、圖12所示：圖9加密的原圖圖10加密后的圖圖11加密前的圖像直方圖圖12加密后的圖像直方圖圖13解密后的到的圖像說(shuō)明：由上圖9、圖10、圖11、圖12、圖13可知，彩色圖片加密后的圖片跟原先用的黑白圖片加密的圖像一樣都是由黑白的點(diǎn)組成的。而且彩色圖片加密后的圖像直方圖總體上來(lái)說(shuō)也是符合混沌效應(yīng)現(xiàn)象的。C語(yǔ)言代碼實(shí)現(xiàn)混沌效應(yīng)，加密程序如下：//簡(jiǎn)單模擬LOGISTIC模型C++源程序#include<iostream>#include<math.h>#defineN300usingnamespacestd;voidfun(floatx0,floatu,intk,floatresult[]){inti=0;floattemp_1,temp_2,temp_3;temp_1=x0;while(k){result[i++]=temp_1;temp_2=1-temp_1;temp_3=u*temp_1;temp_1=temp_2*temp_3;k--;}}intmain(){inti,k;floatx0,u,*result,*ratio,sum=0.0,ave,s=0.0,st;cout<<"Howmanylogisticsequencedoyouwannaoutput?"<<endl;cin>>k;while(k<1||k>N){cout<<"Inputapositiveintegerfrom1to"<<N<<":"<<endl;cin>>k;}result=newfloat[k];ratio=newfloat[k-1];cout<<"Inputafloatvaluebetween0and4:"<<endl;cin>>u;cout<<"Inputafloatvaluebetween0and1:"<<endl;cin>>x0;fun(x0,u,k,result);for(i=0;i<k;i++){cout<<result[i]<<endl;}}據(jù)老師提供的C語(yǔ)言代碼，為了方便后續(xù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工作，進(jìn)一步更改代碼的輸出格式，然后把修改后的代碼輸入DEVC++軟件環(huán)境窗口中。如下圖1中綠色圈圈所示：圖1修改輸出語(yǔ)句后的代碼然后點(diǎn)擊編譯并運(yùn)行按鈕，在彈出來(lái)的窗口中輸入你想要的數(shù)據(jù)數(shù)量100、λ的取值（λ≥3.57）3.59還有初始值0.23456,并回車(chē)后得出數(shù)據(jù)。如下圖2所示：圖2運(yùn)行得出的數(shù)據(jù)接下來(lái)把得出的數(shù)據(jù)復(fù)制到Word文檔中并繪制成表格的形式以便導(dǎo)入Excel中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。如下圖3所示：圖3通過(guò)拷貝在Word中的數(shù)據(jù)然后再利用復(fù)制、粘貼功能把數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel中，并繪制折線圖，觀察混沌效應(yīng)。如下圖4所示：圖4Excel中的數(shù)據(jù)與繪制的折線圖說(shuō)明：從圖4折線圖中可以看出圖像中點(diǎn)的分布總體上是滿(mǎn)足混沌現(xiàn)象的。二、實(shí)驗(yàn)原理(信息隱藏)1.數(shù)字信息隱藏技術(shù)已成為信息科學(xué)領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)。被隱藏的秘密信息可以是文字、密碼、圖像、圖形或聲音，而作為宿主的公開(kāi)信息可以是一般的文本文件、數(shù)字圖像、數(shù)字視頻和數(shù)字音頻等。2.信息隱藏系統(tǒng)的模型可以用下圖1-1來(lái)表示。我們把待隱藏的信息稱(chēng)為秘密信息，它可以是版權(quán)信息或秘密數(shù)據(jù)，也可以是一個(gè)序列號(hào)；而公開(kāi)的信息則稱(chēng)為宿主信息，如視頻、音頻片段等。這種信息隱藏過(guò)程一般由密鑰來(lái)控制，通過(guò)嵌入算法將秘密信息隱藏于公開(kāi)信息中，而隱蔽宿主則通過(guò)通信信道傳遞，然后對(duì)方的檢測(cè)器利用密鑰從隱蔽宿主中恢復(fù)/檢測(cè)出秘密信息。密鑰密鑰密鑰密鑰 秘密信息隱蔽宿主秘密信息秘密信息隱蔽宿主秘密信息宿主信息檢測(cè)器宿主信息編碼器宿主信息檢測(cè)器宿主信息編碼器圖1-1信息隱藏系統(tǒng)模型由此也可以看出，信息隱藏技術(shù)主要有下述兩部分組成：信息嵌入算法（編碼器），它利用密鑰來(lái)實(shí)現(xiàn)秘密信息的隱藏。隱藏信息監(jiān)測(cè)/提取算法(檢測(cè)器)，它利用密鑰從隱藏宿主中檢測(cè)/恢復(fù)出秘密信息。在密鑰未知的前提下，第三者很難從隱藏宿主中得到或刪除，甚至發(fā)現(xiàn)秘密信息。實(shí)驗(yàn)步驟如下：利用EasycodeBoyPlus加密工具對(duì)文件進(jìn)行加密、解密（可對(duì)多個(gè)文件進(jìn)行加密）：首先打開(kāi)EasycodeBoyPlus加密工具實(shí)驗(yàn)環(huán)境窗口，然后點(diǎn)擊加密命令把需要的加密文件添加到其中，并輸入密碼，確認(rèn)密碼，然后點(diǎn)擊開(kāi)始加密，最后會(huì)彈出加密成功的窗口，如下圖1所示：圖1對(duì)文件加密成功接下來(lái)對(duì)剛剛加密的文件進(jìn)行解密。只要記住剛剛在加密時(shí)候設(shè)立的密碼就可以進(jìn)行解密，同樣的在EasycodeBoyPlus加密工具實(shí)驗(yàn)環(huán)境窗口點(diǎn)擊解密命令，把要解密的文件拖入其中，并輸入加密時(shí)設(shè)的密碼，點(diǎn)擊開(kāi)始解密命令即可，如下圖2所示：圖2解密成功利用EasycodeBoyPlus加密工具將文件編譯為EXE自解密文件：在EasycodeBoyPlus加密工具實(shí)驗(yàn)環(huán)境窗口點(diǎn)擊編譯EXE命令，選擇“將文件編譯為EXE自解文件”按鈕，并把要編譯的EXE文件添加在其中，輸入密碼，確認(rèn)密碼，然后點(diǎn)擊開(kāi)始編譯/加密命令即可，如下圖3所示：圖3加密成功現(xiàn)在已經(jīng)很明顯的發(fā)現(xiàn)文件已成了應(yīng)用程序，并在打開(kāi)的時(shí)候要要輸入之前設(shè)的密碼，然后勾選解密后刪除自解文件即可自解密并得到原來(lái)的文件類(lèi)型，如下圖4、圖5、圖6所示：圖6解密過(guò)程圖7自解密完成圖8得到原來(lái)的文件類(lèi)型說(shuō)明：根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)得出對(duì)EXE文件加密保護(hù)以及去除EXE文件密碼保護(hù)或自解密殼操作步驟其實(shí)是差不多的。利用EasycodeBoyPlus加密工具對(duì)文件進(jìn)行嵌入：以下是兩張不同格式的圖片，把靜態(tài)圖（左）嵌入動(dòng)態(tài)圖（右）中，如下圖1所示：圖1嵌入之前的原圖在EasycodeBoyPlus加密工具實(shí)驗(yàn)環(huán)境窗口點(diǎn)擊文件嵌入按鈕，并把靜態(tài)圖拖入作為記住文件，把動(dòng)態(tài)圖拖入作為嵌入文件；并設(shè)置密碼，確認(rèn)密碼，然后點(diǎn)擊嵌入文件命令即可嵌入成功，并發(fā)現(xiàn)嵌入文件（動(dòng)態(tài)圖）通過(guò)我們的肉眼看不出有什么變化，如下圖2、圖3所示：圖2信息隱藏成功圖2嵌入后文件未改變接下來(lái)對(duì)以上嵌入文件進(jìn)行還原。首先把寄生文件（靜態(tài)圖）與寄主文件（動(dòng)態(tài)圖）拖入，并輸入密碼，點(diǎn)擊釋放文件按鈕即可，如下圖3所示：圖3釋放文件成功eq\o\ac(○,4)以下是釋放文件后得到的原來(lái)的寄主文件（動(dòng)態(tài)圖、最右邊），如下圖4所示：圖4實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：（寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)步驟及實(shí)驗(yàn)結(jié)果或