基于混沌系统与正交阵列的并行图像加密算法：支持缩略图解密的高效云安全方案

本文提出了一种融合DNA编码与正交阵列(Orthogonal Arrays)的高效多图像加密策略，通过耦合离散忆阻器(Discrete Memristor)与Sine映射构建新型混沌系统(Sine-EDMM)，在云并行环境中实现24MB/s的高速加密。算法支持选择性解密和缩略图预览，显著降低云计算负载，并通过正交阵列的离散性和DNA编码的并行性提升安全性，为云环境图像/视频加密提供了创新解决方案。

　　

Highlight亮点

(1) 提出Sine-指数离散忆阻器映射(Sine-EDMM)：通过将指数离散忆阻器耦合至Sine映射，有效克服原映射周期性窗口明显、混沌区域狭窄等缺陷，获得更强的初值敏感性、更大Lyapunov指数(_LE)和更优不可预测性。

(2) 基于DNA编码的置换算法：利用正交阵列的离散性和正交性，构建高速并行置换加密框架。每次操作2比特数据，同步结合DNA编码修改像素值，在保证实时性的同时显著增强加密强度。扩散过程通过正交阵列大幅缩短所需混沌序列，形成新型抗差分攻击扩散算法。

(3) 创新缩略图解密机制：支持直接从密文解密生成缩略图，用户可基于预览决定是否继续完整解密，有效降低云计算负载和传输开销。

Proposed Algorithm算法设计

本方案将图像文件动态分组（每组不超过CPU三级缓存容量），每组包含固定像素量。通过正交阵列和DNA编码实现：

• 像素级DNA链置换（A-T/C-G互补规则）

• 并行位面扩散（利用Sine-EDMM生成混沌序列）

• 跨组交叉混淆（增强算法抗明文攻击能力）

Simulation and Performance Analysis性能验证

测试环境：MATLAB 2023a + C++多线程，Intel i5-13490F处理器。关键结果：

• 加密速度达24MB/s（超同类算法300%）

• 信息熵>7.999（8bit理想值）

• 相邻像素相关系数<0.01（随机序列水平）

• 可抵抗选择明文/已知明文攻击

Video Encryption Application视频加密拓展

基于SIME-CIEA算法提出视频加密框架（图21）：

• 将30fps视频分解为帧组（每组16MB）

• 关键帧采用完全加密，过渡帧差分编码

• 实现4K视频实时加密（<50ms/帧延迟）

Conclusions and Outlook结论展望

所构建的Sine-EDMM混沌系统具有稳定的Lyapunov指数(_LE>0.12)和2²⁵⁶量级密钥空间。算法在云环境中展现出：

? 动态资源分配能力

? 视频加密普适性

? 抗量子计算攻击潜力

未来可探索在医疗影像云和基因组数据安全中的应用。