针对医学图像中嵌入水印信息造成的鲁棒性与透明性的不平衡问题，提出了一种面向医学图像的篡改检测双重水印算法。首先，采用Sine-Cubic混沌映射加密算法将Sine映射与Cubic映射进行线性耦合，利用得到的混沌序列对版权图像进行加密。其次，对载体图像进行小波变换，并对低频子带进行安全区域划分，根据安全区域内子块熵值将医学图像划分为感兴趣区域（ROI）和非感兴趣区域（NROI）。同时，通过提取ROI的稳定特征与加密的版权构造鲁棒的零水印。最后，将零水印嵌入医学图像NROI子块Schur分解的上三角矩阵最大系数中，同时记录嵌入水印后的最大系数用于篡改检测。实验结果表明：所提水印算法具有不可感知性、鲁棒性和安全性，同时可以准确地定位被篡改的含水印区域；与其他水印算法相比，所提双重水印算法在鲁棒性和算法效率上均有很大的提升。

为保证部分具有重要价值的数字图像在不可信信道中传输的安全性, 本文设计了一种基于级联混沌映射和伪装图低位嵌入的图像隐写算法。该算法为置乱-混淆-低位嵌入结构。在置乱步骤中, 首先通过两个混沌映射的级联设计了一种新型的混沌映射并用其产生具有高度随机性的随机数序列, 然后随机数序列被用于数字图像的置乱, 生成置乱图。在混淆步骤中, 通过用户随机选择的伪装图与置乱图的与或操作来实现置乱图中像素值的混淆。最后, 在低位嵌入步骤中, 混淆步骤生成的图像按照两个位平面一组的规则被拆分成4份子图像并嵌入到伪装图的最低两位。在多个混沌映射性能指标的测试中, 本文所提出的级联混沌映射均表现优异。在图像安全性和性能分析实验中, 本文所提出的图像隐写算法表现出高度的安全性和极高的执行效率。

为了实现数字图像的分布式保密存储, 本文提出了一种图像加密-秘密分享算法。图像加密功能由Logistic映射和ICMIC映射串联构成的二维串联调制耦合映射(Two-dimensional cascade modulation coupling map, 2D-CMCM)产生的4个随机数序列控制图像的行/列置乱和扩散来实现。在已加密图像的秘密分享阶段, 使用基于拉格朗日多项式插值的(3,5)门限秘密分享算法, 将已加密图像分为5份秘密子图。解密者只有获取不少于3份的秘密子图及二维串联调制耦合映射的密钥才能实现原始明文图像的无损重建。在安全性分析实验中, 本文所提出算法显示出了高度的抗攻击性; 在可逆性分析实验中, 秘密子图被证实可以实现原始明文图像的无损重构; 在执行效率测试实验中, 本文所提出算法的高执行效率也得到了验证。经过一系列实验, 本文所提出算法的高度实用性得到了证实。

为了扩展双图像光学加密算法的密钥空间, 克服双随机相位加密系统中随机相位掩模作为密钥难于存储、传输和重构的问题, 突破传统图像加密的研究思路, 提出了一种基于多混沌系统的双图像加密算法, 构造了光学加密系统。系统增加混沌系统参数作为密钥, 利用混沌加密密钥空间大和图像置乱隐藏性好的特点, 构建基于Logistic混沌映射的图像置乱算法, 利用Kent混沌映射生成的伪随机序列构造出一对随机相位掩模, 分别放置在分数傅里叶变换光学装置的两端, 图像经加密系统变换后得到密文。数值仿真结果表明,算法的密钥敏感性极高, 能够有效地对抗统计攻击, 具有较高的安全性。

本文提出一种量子混沌与折叠算法相结合的图像加密系统。该系统的主要思想是通过量子混沌映射和二维Logistic映射分别进行Arnold变换, 得到两个由伪随机数组成的与灰度图像大小相等的矩阵Q、E, 然后利用这两个矩阵对图像分别进行以下操作: 一是利用矩阵Q对图像从4个方向进行“折叠操作”, 二是使用前一个像素值与当前像素值进行异或, 然后将异或得到的值加上E对应的值, 以对当前像素值进行修改, 从而达到图像扩散的效果, 增加差分攻击的难度。利用MATLAB对测试图像进行模拟仿真分析, 结果显示, 经该加密系统加密后的图像, 其水平、竖直和对角线方向像素值的相关性分别为0.001 006、0.000 152、0.000 789, 信息熵H(s)=7.997 3。一系列的实验结果表明该加密系统具有很高的安全性和随机性。

为了解决当前图像Hash算法难以兼顾较高的感知稳健性与篡改识别率的不足, 提出了基于数据投影降维机制与对称局部二值模式的紧凑图像Hash算法。利用双线性插值来预处理图像, 使Hash具有固定的长度; 引入对数极坐标变换, 将其转变为二次图像; 利用Gabor滤波器平滑二次图像; 基于模糊集理论, 设计对称局部二值模式算子, 获取稳健特征; 定义数据投影降维机制与量化规则, 生成紧凑的中间Hash比特序列; 构造一维组合混沌映射, 建立加密模型, 完成比特序列扩散, 以生成图像Hash; 并引入汉明距离, 估算初始图像与接收端图像的Hash相似度, 联合决策阈值, 完成图像认证。测试数据表明, 与当前图像Hash技术相比, 该算法的Hash更紧凑, 且其感知稳健性与敏感性更高。

为了实现光学图像的非线性加密, 设计了一种基于随机分数梅林变换的光学图像加密方法, 构造了相应的光学加密装置。该装置采用混沌映射生成一对共轭随机相位掩模放置于分数傅里叶变换光学装置的两端, 对分数傅里叶变换的核函数进行随机化处理, 得到随机分数傅里叶变换。随机分数梅林变换由对数-极坐标变换和随机分数傅里叶变换组成, 光学图像经随机分数梅林变换得到复值密文, 从而完成图像的像素值和像素点位置的双重加密。对应所有密钥计算了输入图像和解密图像的均方误差, 混沌映射的初值增大10-16 时, 解密图像的均方误差放大200倍以上, 其作为密钥扩大了加密算法的密钥空间; 随机分数梅林变换的分数阶次作为密钥也具有很高的敏感度。数值分析验证了该光学加密系统的可行性和有效性, 噪声叠加和抗裁剪性能分析表明该算法具有良好的鲁棒性。

为保证数字图像的安全性,提出了一种压缩图像的三维混沌加密算法。该算法是通过对已压缩的数据流进行加密而实现的。首先采用基于小波的Contourlet变换的类等级树集合分割(SPIHT)编码算法对明文图像进行压缩,得到压缩数据流,然后将压缩数据流映射为一个三维位矩阵;利用Lorenz混沌映射产生混沌序列,并对其进行预处理得到比特值序列,根据比特值序列对上述三维位矩阵进行置乱和替代操作;将置乱和替代后的位矩阵重新映射为数据流,并对其进行解码和反变换操作,得到加密后的压缩图像。实验结果表明,产生的比特值序列具有较好的随机性,加密算法的密钥空间很大,对密钥非常敏感,子密钥和明文有关,能有效抵抗已知明文攻击,结合压缩技术,能有效提高存储和传输效率。

针对目前的图像加密方法大多只局限于对方形图像进行加密的特点,提出了一种同时适用于方形图像和矩形图像的加密算法。将基于图像分割的新二维映射用于图像位置置乱,将含有混沌映射的扩散函数用于图像灰度置乱,从而得到一种位置置乱和灰度置乱相结合的图像加密算法。实验仿真结果表明,该算法能够很好地实现对任意大小的方形和矩形图像进行加密,且具有密钥空间大(10¹⁵～10³⁰),密钥敏感性强以及能够抵御统计和已知明文攻击等优点,基本满足图像加密的有效性和安全性要求。

提出了一种用于图像加密的可逆二维混沌映射，该映射由左映射和右映射两个子映射组成。通过对图像的拉伸和折叠处理，实现了图像的混沌加密。首先沿图像的对角线方向将正方形图分为上下两个部分并重新组合成一个平行四边形的图像；然后利用平行四边形图像的两列像素之间的像素数目差将某列中的像素插入到相邻下一列像素之间。经过这样的过程，原始图像拉伸成为一条直线。最后按照原始图像的大小将这条直线折叠成为一个新的图像。推导出了映射的数学表达式，设计了密钥产生的方法，分析了图像加密算法的安全性问题。仿真验证了该图像加密算法的有效性。