高速通信技術(shù)的普及應(yīng)用，使得通信的安全性比可達(dá)性更加重要，信息作為一種價(jià)值載體其安全問(wèn)題已成為首要問(wèn)題。 信息安全對(duì)個(gè)人而言至少意味著財(cái)產(chǎn)安全和名譽(yù)安全，對(duì)集體而言則可能決定其生存和發(fā)展，而對(duì)國(guó)家而言則與國(guó)家的主權(quán)和人權(quán)等息息相關(guān)。 早在1949年，偉大的信息論專家Shannon就將密碼學(xué)研究提高到與通信技術(shù)同等重要的學(xué)術(shù)地位，他的杰作掀開(kāi)了現(xiàn)代密碼學(xué)研究的篇章。 然而，針對(duì)圖像進(jìn)行加密的圖像密碼技術(shù)是伴隨著混沌理論的發(fā)展而逐步蓬勃發(fā)展起來(lái)的。 1963年，Lorenz提出第一個(gè)混沌吸引子（蝴蝶吸引子）之后，混沌偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器作為混沌理論的一個(gè)重要研究分支支撐著圖像密碼學(xué)的發(fā)展。 而近十年來(lái)提出的基于混沌系統(tǒng)的明文關(guān)聯(lián)圖像密碼技術(shù)才真正是Shannon意義下“計(jì)算安全”的密碼技術(shù)。 現(xiàn)今，密碼技術(shù)作為保證信息安全的最為有效的方式被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，而且密碼技術(shù)還是區(qū)塊鏈技術(shù)的核心。 密碼學(xué)正在更加深入地與人工智能、信息科學(xué)、數(shù)學(xué)、生物技術(shù)、量子技術(shù)、圖像處理和計(jì)算機(jī)技術(shù)等交叉學(xué)科相互融合發(fā)展，以適應(yīng)持續(xù)的科技進(jìn)步和時(shí)代發(fā)展要求。 同時(shí)，高等院校作為知識(shí)的承載、創(chuàng)新和傳播主體，應(yīng)及時(shí)開(kāi)設(shè)密碼學(xué)相關(guān)的專業(yè)課和公共基 礎(chǔ)課，普及密碼學(xué)的知識(shí)。 在這種背景下，筆者總結(jié)了十多年來(lái)在信息安全方向的研究成果，以深入淺出的表述方式，并基于Mathematica軟件使用Wolfram語(yǔ)言\[1\]，生動(dòng)形象地講述了對(duì)稱密碼學(xué)和圖像加密技術(shù)的精髓。 本書在《混沌數(shù)字圖像加密》（清華大學(xué)出版社, 2016）\[2\]和《數(shù)字圖像密碼算法詳解》（清華大學(xué)出版社， 2019）\[3\]的基礎(chǔ)上，繼續(xù)深入研究圖像密碼技術(shù)。 典型的圖像密碼系統(tǒng)框圖如圖01所示。 根據(jù)Kerckhoffs原則，圖01所示圖像密碼系統(tǒng)的加密/解密算法是公開(kāi)的，圖像信息安全僅取決于密鑰，而攻擊者實(shí)施被動(dòng)攻擊（如常用的選擇/已知明文攻擊或選擇/已知密文攻擊等）的對(duì)象是等價(jià)密鑰。 按圖01所示內(nèi)容，本書首先研究基于混沌系統(tǒng)的密鑰擴(kuò)展算法，第1章詳細(xì)介紹了由密鑰借助于Hénon混沌系統(tǒng)得到直接用于圖像加密/解密的等價(jià)密鑰的偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，為全書的圖像加密系統(tǒng)準(zhǔn)備等價(jià)密鑰。 接著，第2章和第3章分別介紹數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)（DES）和高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）的實(shí)現(xiàn)算法及其在圖像加密方面的應(yīng)用，這部分內(nèi)容在《數(shù)字圖像密碼算法詳解》中有詳細(xì)闡述，這里重點(diǎn)討論算法的Mathematica實(shí)現(xiàn)技術(shù)，并將DES和AES算法作為全書圖像加密算法的性能對(duì)比基準(zhǔn)。 然后，第4章至第8章研究圖01所示的圖像加密/解密算法，第4章討論了一種明文關(guān)聯(lián)的圖像密碼技術(shù)及其Mathematica實(shí)現(xiàn)技術(shù)；第5章至第7章分別深入闡述了基本統(tǒng)一圖像密碼系統(tǒng)、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（類感知器）的統(tǒng)一圖像密碼系統(tǒng)和基于提升小波變換的統(tǒng)一圖像密碼系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了這些類型統(tǒng)一圖像密碼系統(tǒng)的工作原理及其Mathematica實(shí)現(xiàn)技術(shù)；第8章定義了廣義統(tǒng)一圖像密碼系統(tǒng)，并基于第4章的明文關(guān)聯(lián)圖像密碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種廣義圖像密碼系統(tǒng)，同時(shí)討論了其工作原理和Mathematica實(shí)現(xiàn)技術(shù)。 最后，第9章綜合分析了全書介紹的7種圖像加密系統(tǒng)的安全性能，從密文統(tǒng)計(jì)特性、系統(tǒng)敏感性和加密/解密速度等方面給出了對(duì)比評(píng)價(jià)結(jié)果。 在《混沌數(shù)字圖像加密》和《數(shù)字圖像密碼算法詳解》中均基于MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)密碼算法仿真，而且在《數(shù)字圖像密碼算法詳解》中還詳細(xì)介紹了基于Visual Studio集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和C#語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)圖像密碼系統(tǒng)的方法，這是目前比較不同的圖像密碼系統(tǒng)的加密/解密速度最好的方法。 而在本書中，僅使用了Mathematica軟件實(shí)現(xiàn)仿真算法，這是因?yàn)镸athematica軟件是目前研究公鑰密碼學(xué)最好的軟件，Mathematica軟件給所有學(xué)者的感覺(jué)是“無(wú)所不能”，而且是物理學(xué)家必備的科學(xué)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)軟件， 這一點(diǎn)從本書中的程序代碼可見(jiàn)一斑。 讀者可以通過(guò)本書的附錄“Mathematica常用函數(shù)示例”快速入門Wolfram語(yǔ)言。 為了公平地對(duì)比各種圖像密碼算法的處理速度，第9章中展示的它們的加密/解密速度是基于C#語(yǔ)言的。 誠(chéng)然，本書和《混沌數(shù)字圖像加密》與《數(shù)字圖像密碼算法詳解》有著廣泛的關(guān)聯(lián)，再次介紹了《混沌數(shù)字圖像加密》第5.4節(jié)的優(yōu)秀算法，介紹了《數(shù)字圖像密碼算法詳解》中第2、3、5和6章的算法，并均借助于Wolfram語(yǔ)言進(jìn)行算法實(shí)現(xiàn)，熟悉《混沌數(shù)字圖像加密》與《數(shù)字圖像密碼算法詳解》的內(nèi)容對(duì)于本書的學(xué)習(xí)和閱讀將有很大的幫助。 但是，筆者盡其所能將本書寫成一本“零基礎(chǔ)”且自成體系的科技書，既可作為本科生或研究生的入門教材，又可作為大眾信息安全的入門讀物，還可供信息安全和區(qū)塊鏈領(lǐng)域的專家學(xué)者科研參考。 本書每章都附有少量習(xí)題，并在書后集中給出了所有習(xí)題的參考答案，讀者若能獨(dú)立完成這些習(xí)題，就基本上掌握了本書的內(nèi)容。 除了第9章的習(xí)題需要借助于Visual Studio使用C#語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)外，其余各章的習(xí)題均基于Mathematica使用Wolfram語(yǔ)言完成。 必須強(qiáng)調(diào)指出的是，本書內(nèi)容隸屬于對(duì)稱密碼學(xué)，而密碼學(xué)包括對(duì)稱密碼學(xué)（私鑰密碼學(xué)）、公鑰密碼學(xué)和水印等，且其中最有趣的是公鑰密碼學(xué)，因此，本書內(nèi)容僅是密碼學(xué)的“冰山一角”。 本書第2~3章的DES和AES是針對(duì)文本加密提出來(lái)的，主要用于加密文本或小量數(shù)據(jù)，事實(shí)上，AES也適用于加密數(shù)字圖像或大量數(shù)據(jù)；而第4~8章的密碼技術(shù)是針對(duì)數(shù)字圖像加密提出來(lái)的，主要用于加密數(shù)字圖像或大量數(shù)據(jù)，但仍然可以用于加密文本或小量數(shù)據(jù)。 本書由國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：61762043）、江西省自然科學(xué)基金（編號(hào)：20192BAB207022）、江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（編號(hào)：GJJ190249）和江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（編號(hào)：GJJ160425）資助出版，特此真摯鳴謝。 感謝江西財(cái)經(jīng)大學(xué)陳愛(ài)國(guó)老師、唐穎軍博士和丁雄博士等專家學(xué)者在科研與教學(xué)方面給予筆者的關(guān)心與支持。 感謝筆者的三位導(dǎo)師洪時(shí)中教授、陳天麒教授和汪國(guó)平教授，他們對(duì)科學(xué)的敬畏和追求影響并激勵(lì)著筆者不懈努力；同時(shí)，感謝筆者的愛(ài)人賈曉天老師在文獻(xiàn)檢索與整理等煩瑣工作上提供的幫助，為筆者節(jié)省了大量寶貴時(shí)間。 感謝西安電子科技大學(xué)出版社工作人員為本書出版所做的辛勤工作。 盡管筆者細(xì)致地檢校了書中的文字和代碼，但受水平和能力所限， 書中難免還會(huì)出現(xiàn)各種錯(cuò)漏， 歡迎同行專家學(xué)者和讀者朋友批評(píng)指正（E�瞞ail： zhangyong@jxufe. edu. cn）。 免責(zé)聲明：Mathematica 和Wolfram為Wolfram公司的注冊(cè)商標(biāo)。本書內(nèi)容僅用于教育，嚴(yán)禁用于任何商業(yè)場(chǎng)合。 張 勇