高速通信技術(shù)的普及應(yīng)用，使得通信的安全性比可達性更加重要，信息作為一種價值載體其安全問題已成為首要問題。 信息安全對個人而言至少意味著財產(chǎn)安全和名譽安全，對集體而言則可能決定其生存和發(fā)展，而對國家而言則與國家的主權(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，他的杰作掀開了現(xiàn)代密碼學(xué)研究的篇章。 然而，針對圖像進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)展起來的。 1963年，Lorenz提出第一個混沌吸引子（蝴蝶吸引子）之后，混沌偽隨機數(shù)發(fā)生器作為混沌理論的一個重要研究分支支撐著圖像密碼學(xué)的發(fā)展。 而近十年來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)、圖像處理和計算機技術(shù)等交叉學(xué)科相互融合發(fā)展，以適應(yīng)持續(xù)的科技進步和時代發(fā)展要求。 同時，高等院校作為知識的承載、創(chuàng)新和傳播主體，應(yīng)及時開設(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。 在這種背景下，筆者總結(jié)了十多年來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語言\[1\]，生動形象地講述了對稱密碼學(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/解密算法是公開的，圖像信息安全僅取決于密鑰，而攻擊者實施被動攻擊（如常用的選擇/已知明文攻擊或選擇/已知密文攻擊等）的對象是等價密鑰。 按圖01所示內(nèi)容，本書首先研究基于混沌系統(tǒng)的密鑰擴展算法，第1章詳細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/解密的等價密鑰的偽隨機數(shù)發(fā)生器，為全書的圖像加密系統(tǒng)準備等價密鑰。 接著，第2章和第3章分別介紹數(shù)據(jù)加密標準（DES）和高級加密標準（AES）的實現(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》中有詳細闡述，這里重點討論算法的Mathematica實現(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比基準。 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)計了一種廣義圖像密碼系統(tǒng)，同時討論了其工作原理和Mathematica實現(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)計特性、系統(tǒng)敏感性和加密/解密速度等方面給出了對比評價結(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》中還詳細介紹了基于Visual Studio集成開發(fā)環(huán)境和C#語言實現(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軟件實現(xiàn)仿真算法，這是因為Mathematica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)者的感覺是“無所不能”，而且是物理學(xué)家必備的科學(xué)計算和實驗軟件， 這一點從本書中的程序代碼可見一斑。 讀者可以通過本書的附錄“Mathematica常用函數(shù)示例”快速入門Wolfram語言。 為了公平地對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#語言的。 誠然，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語言進行算法實現(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#語言實現(xiàn)外，其余各章的習(xí)題均基于Mathematica使用Wolfram語言完成。 必須強調(diào)指出的是，本書內(nèi)容隸屬于對稱密碼學(xué)，而密碼學(xué)包括對稱密碼學(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是針對文本加密提出來的，主要用于加密文本或小量數(shù)據(jù)，事實上，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)是針對數(shù)字圖像加密提出來的，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)。 本書由國家自然科學(xué)基金（編號：61762043）、江西省自然科學(xué)基金（編號：20192BAB207022）、江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點項目（編號：GJJ190249）和江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目（編號：GJJ160425）資助出版，特此真摯鳴謝。 感謝江西財經(jīng)大學(xué)陳愛國老師、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)師洪時中教授、陳天麒教授和汪國平教授，他們對科學(xué)的敬畏和追求影響并激勵著筆者不懈努力；同時，感謝筆者的愛人賈曉天老師在文獻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， 書中難免還會出現(xiàn)各種錯漏， 歡迎同行專家學(xué)者和讀者朋友批評指正（E�瞞ail： zhangyong@jxufe. edu. cn）。 免責(zé)聲明：Mathematica 和Wolfram為Wolfram公司的注冊商標。本書內(nèi)容僅用于教育，嚴禁用于任何商業(yè)場合。 張 勇