本發(fā)明涉及信息傳輸安全研究領域，具體涉及通過一種圖像加密方法對圖像進行像素的置亂和擴散，達到原圖像信息隱藏的加密方法。

背景技術：

隨著互聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)絡技術的日漸成熟，更具表現(xiàn)力且便捷方便的數(shù)字圖像作為傳遞信息的媒介正越來越被人們喜愛。區(qū)別于傳統(tǒng)DES、AES等針對文本的加密算法，數(shù)字圖像對加密算法的思路不盡相同?；煦缦到y(tǒng)的類隨機性且對初值的極度敏感特性，這些優(yōu)良特性尤其適合用來用于數(shù)字圖像加密，其在圖像加密過程中有著不可替代的作用。相比于黑白圖象，彩色圖像的信息表達更具體形象，但是對彩色圖像的加密比黑白圖象在運行時間和空間上都有更高的代價。目前，常用的圖像加密方法都是基于像素位置置亂和像素值擴散這兩個基本手段，從而達到更加理想的圖像加密效果。

近年來，國內外針對彩色圖像加密的相關研究工作不斷增多。根據(jù)不同類型的圖像特征，攻擊手段和不同級別加密要求等，研究人員使用多種方法從數(shù)字圖像特征出發(fā)，對數(shù)字圖像進行多維度多層次的信息加密。

圖像像素值排列組合的混淆和像素值不可預期的改變是數(shù)字圖像加密的主要研究方向，提高混沌序列的空間復雜度或加大密鑰空間是提高算法安全的有效方法，多混沌序列的組合、級聯(lián)、升維、擴大外部輸入密鑰、自適應特征值等是常見的強化方法。其中，自適應特征值是圖像加密算法的有效方法。從數(shù)字圖像中提取特征值作為關鍵密鑰，可以提高算法的加密效果，避免暴力攻擊。例如，一些加密算法通過提取二維圖像行列像素的像素值之積作為加密算法的關鍵密鑰，這種方法可以加大密鑰空間和提升算法復雜性，有利于圖像加密的安全。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有圖像加密算法的缺點與不足，提出一種基于多混沌系統(tǒng)級聯(lián)升維和多輪圖像置亂相結合的彩色圖像加密算法。該方法利用了三種復雜混沌系列的特征--Arnold映射迭代多次產(chǎn)生像素矩陣的相對位置變換從而置亂原始像素信息，利用級聯(lián)混和離散混沌進行升維得到的混沌序列使得原圖像像素值改變，從而隱藏圖像信息，利用二維像素矩陣重新按大小排序且分塊的方法進一步置亂原圖信息，從而達到原圖信息完全隱藏且抵御惡意攻擊的安全算法。

混沌系統(tǒng)的加密算法，設計關鍵是對混沌映射的選擇，不同的混沌映射在時間復雜度、空間復雜度以及安全性方面都有很大差別。本發(fā)明提出的Logistic-Logistic級聯(lián)混沌和二維Henon混沌進行聯(lián)立升維的加密算法，相對一維Logistic混沌映射安全性更高，且明顯改善了其動力學特性。

1、Aronld像素置亂

Arnold變換是通過改變原圖像素位置而使得原圖像像素雜亂無章，不可辨認的一種加密方法。其中，影響Arnold加密效果的關鍵其迭代次數(shù)，一般迭代次數(shù)太少加密效果會比較差，但是Aronld迭代具有周期性，迭代次數(shù)過多置亂效果反而會使得原圖像信息暴露。Aronld的置亂次數(shù)與原圖像特征相關，相同的迭代次數(shù)對不同的圖像加密效果大不相同。另外，雖然方形是矩形的一種形式，但是Aronld一般是對二維行列相等的方形圖像加密效果更好，但是為了普遍使用，本加密算法將Aronld推廣至加密圖像的行列值不作要求的加密算法。對于Aronld的加密效果來說，像素均勻化是能最大化隱藏原文圖像的理想狀態(tài)。

2、升維加密原理

一維混沌結構簡單易攻擊的特點，混沌系統(tǒng)空間結構升維可以提升混沌加密的安全性。另外，增加密鑰參數(shù)和提高混沌初值敏感的特性是混沌加密的兩種主要方法，本發(fā)明方法提出的圖像像素值擴散集合以上加密原理出發(fā)，提出的多離散混沌系統(tǒng)級聯(lián)升維方法。

本算法選定級聯(lián)Logistic-Logistic映射和Henon混沌映射復合升維?；煦绲某跏贾祒₀、y₀、Z₀。再設定內部參數(shù)a＝0.3、b＝0.4、m1(大于1000的任意值)、m2(大于5000的任意值)和μ₁、μ₂∈[0，4]其中令μ₁＝4，μ₂作為分岔參數(shù)，將選定的初始值和內部參數(shù)作為密鑰，而x_n、y_n和z_n為Logistic-Logistic級聯(lián)混沌和Henon映射的復合混沌序列。解密過程是加密過程的逆。算法步驟如下：

a)把原彩色圖像A(M，N，3)轉換成R、G、B三個層次的二維灰度矩陣，其中L＝MxN；

b)圖像置亂，對公式一以選取合適參數(shù)和初始值進行迭代，迭代次數(shù)m₁，得到首次置亂的灰度矩陣；

c)像素擴散，把新得到的三個灰度矩陣分別按行轉換成三個一維數(shù)組。應用公式二結合特定參數(shù)和初始值進行迭代，迭代次數(shù)為m₂，可以得到三組預處理的混沌序列x，y，z，分別從中截取長度為L的三組混沌序列x(L)，y(L)，z(L)分別與三個一維數(shù)組異或，然后把得到的三個序列分別按列優(yōu)先的原則重新組成三個二維矩陣；

d)第二輪的像素置亂，把新得到的三個二維矩陣像素分別按從大到小的順序排列，從中得到排列值在原序列中位置索引數(shù)組index₁，index₂，index₃；

e)洗牌，把有序排列的三個矩陣均分成九塊，按從左到右的順序標號，1，2，…，9；根據(jù)原圖像素特征值決定與特定的塊置換相應的像素塊。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明是一種基于級聯(lián)混沌升維的彩色圖像加密算法，這種方法能夠有效地加密原圖像。本發(fā)明方法主要涉及到兩種混沌加密思想，混沌級聯(lián)和復合升維。算法將待加密的彩色圖像經(jīng)過預處理后，先后進行像素的置亂和擴散。本發(fā)明算法將進行置亂、擴散、再置亂的圖像加密辦法，在擴散階段應用了級聯(lián)且升維的新的混沌加密序列。實驗表明，該方法在加密彩色圖像中相比其他算法具有更高的安全性。

附圖說明

圖1為算法流程圖；

圖2為再次置亂像素矩陣的分塊圖；

圖3為像素塊置亂方案一圖；

圖4為像素塊置亂方案二圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發(fā)明進行詳細說明：

參考圖1，本發(fā)明加密步驟如下：

步驟1，輸入一幅MxN的彩色圖像A作為待加密圖像；

調用imread函數(shù)讀入一幅MxNx3彩色圖像作為待加密圖像；

步驟2，把待加密三維圖像A分離成R、G、B三個層面上的二維灰度矩陣a₁_i(s，t)，i＝1,2,3;

步驟3，選取廣義Arnold變換的變換矩陣參數(shù)α、β和迭代次數(shù)m₁(大于1000的任意值)，對圖像矩陣a₁_i(s，t)進行m₁次廣義Arnold變換，得到置亂后的圖像矩陣a₂_i(s，t)，i＝1,2,3;

對行列不等的像素矩陣，Arnold變換步驟如下：

首先，獲取圖像矩陣a₁_i(s，t)，i＝1，2，3中的每一個像素點的坐標(α_n，b_n)處的像素值；

然后，將圖像矩陣a₁_i(s，t)，i＝1，2，3中的每一個像素點的坐標(α_n，b_n)都輸入公式一，并記錄每個點的輸出坐標(a_n′，b_n′)；

接著把每個點的像素值導入輸出的坐標(a_n′，b_n′)，以此來完成像素坐標的一次變換；

重復上述步驟m1次，得到Arnold置亂后的圖像矩陣a₂_i(s，t)，i＝1，2，3；

步驟4，分別選取級聯(lián)混沌參數(shù)μ₁、μ₂、Z₀和二維Henon混沌參數(shù)α、β、x₀、y₀，以及迭代次數(shù)m₂(大于5000的任意數(shù))，并將該初值和參數(shù)代入復合混沌系統(tǒng)方程中進行迭代，得到作用于圖像加密的三個序列；將這三個混沌序列的前1024個數(shù)值去掉，剩下的序列取前L個數(shù)并對其重新編號，得到作用于三個新的混沌序列{k₁_i}、{k₂_i}、{k₃_i}，i＝1，2，3，…，L；

三維級聯(lián)復合混沌公式如下：

其中x，y序列是離散混沌Henon序列，z序列是兩個Logestic混沌系統(tǒng)的級聯(lián)，二維混沌序列和一維級聯(lián)混沌復合成三維混沌序列，這里將產(chǎn)生三個混沌序列作為中間密文作用于待加密像素。

步驟5，將置亂后的圖像矩陣a₂_i(s，t)，i＝1，2，3與，步驟(4)得到的三個混沌序列進行像素擴散得到圖像矩陣a₃_i(s，t)，i＝1，2，3；

步驟6，把步驟(5)得到的三個二維圖像矩陣按行展開成三個一維數(shù)組s₁，s₂，s₃，按從大到小的順序進行排序，得到三組有序的一維數(shù)組S₁，S₁，S₁；并分別記錄新的有序數(shù)組中每個元素在原一維數(shù)組s₁，s₂，s₃中的位置，得到三個位置信息的集合index₁，index₂，index₃；

步驟7，將步驟(6)中得到的三個一維數(shù)組分別按列優(yōu)先重新排列成二維圖像矩陣；

步驟8，將步驟(7)得到的三個二維矩陣分別均勻的分割成九塊，按行分別標記為1，2，3，…，9；根據(jù)特征值選出特定方案對分塊的像素矩陣再次空間置亂，將得到R、G、B三個層面上的像素矩陣，把三個矩陣合并成一個，得到加密后的圖像矩陣。

其中步驟(8)中第二輪像素置亂的塊分割按如下步驟獲得：

4c)判斷K＝mod(L，2)是否為0，如果k＝0，則執(zhí)行4d)；否則，執(zhí)行4e)；

4d)步驟(8)中均勻分割的九塊像素，其中第7塊不動其余八塊都與對角或對面的像素塊一一對應置換，實現(xiàn)像素塊‘洗牌’，如圖3像素塊置亂方案一；

4e)步驟(8)中均勻分割的九塊像素，其中第9塊不動其余八塊都與對角或對面的像素塊一一對應置換，實現(xiàn)像素塊‘洗牌’，如圖4像素塊置亂方案二。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內。