一種分塊雙層自適應(yīng)擴(kuò)散圖像加密方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種圖像處理方法，主要是圖像加密方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字圖像以其直觀、形象等特點(diǎn)成為信息傳輸?shù)闹饕?載體，已廣泛應(yīng)用于國(guó)防、航天、軍事、政治、經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域，但在圖像存儲(chǔ)、傳輸和使用過(guò)程中 存在一定的泄密隱患。因而尋求高效的數(shù)字圖像加密技術(shù)具有重要的理論意義和工程應(yīng)用 價(jià)值。目前，針對(duì)數(shù)字圖像特點(diǎn)，各種基于矩陣變換/像素置亂的加密方法，基于現(xiàn)代密碼 體制的加密方法、基于混沌系統(tǒng)的加密方法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的加密方法、基于DNA編碼的加 密方法及多種加密技術(shù)結(jié)合的加密方法相繼被提出并各具特色。然而，這些方法主要集中 在置亂、擴(kuò)散兩大過(guò)程的傳統(tǒng)加密模式，而且未充分考慮明文、密鑰敏感性和置亂隨機(jī)性等 問(wèn)題，難以抵抗選擇明文攻擊。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種分塊雙層自適應(yīng)擴(kuò)散圖像加密方法。
[0004] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)數(shù)字圖像數(shù)據(jù)量大、冗余度高，現(xiàn)有圖像加密方法對(duì)明文、 密鑰的敏感性較低，難以抵御選擇明文攻擊等問(wèn)題，提出一種分塊雙層自適應(yīng)擴(kuò)散圖像加 密方法，加密效果好、安全性高，為數(shù)字圖像的安全存儲(chǔ)和傳輸提供保障。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明技術(shù)方案的基本思想是：針對(duì)圖像安全保障問(wèn)題，在加密 過(guò)程中，首先利用Logistic映射、Tent映射和Sine映射，進(jìn)行兩兩組合構(gòu)建三種新一維混 沌映射系統(tǒng)，提取初始混沌序列；然后定義一個(gè)與明文圖像矩陣大小相同的初始加密圖像 矩陣，對(duì)其進(jìn)行分塊，預(yù)處理Arnold映射參數(shù)，正反向聯(lián)合映射將明文圖像矩陣中隨機(jī)位 置像素值，存入初始加密矩陣隨機(jī)塊中的隨機(jī)位置，同時(shí)與前一加密像素及混沌序列通過(guò) 一定方式作用替換該像素，并將當(dāng)前加密塊擾動(dòng)混沌系統(tǒng)，更新初始密鑰，形成塊內(nèi)像素、 塊間自適應(yīng)擴(kuò)散，增加算法對(duì)明文及密鑰的敏感性，直至填滿初始加密矩陣，完成加密。
[0006] 本發(fā)明基于分塊雙層自適應(yīng)擴(kuò)散圖像加密方法包括如下步驟：
[0007] 步驟1 :混沌系統(tǒng)構(gòu)造
[0008] 新混沌系統(tǒng)是由兩個(gè)不同的已有一維混沌映射作為種子映射構(gòu)造的非線性混沌 系統(tǒng)，構(gòu)造方程如下：
[0009] Xn+i = (F (a, X n) +G (b, Xn)) modi (I)
[0010] 其中F(a，Xn)、G(b，Xn)為種子映射，a，b分別為其控制參數(shù)；mod為取模操作，為 保證輸出數(shù)據(jù)在區(qū)間（〇，1)內(nèi)；η為迭代次數(shù)。
[0011] 本加密方法利用Logistic、Tent和Sine映射，兩兩組合作為種子映射，并按式（1) 構(gòu)造出三種新一維混沌映射系統(tǒng)。動(dòng)力學(xué)方程如下：
[0012] Logistic-Tent映射動(dòng)力學(xué)方程：
[0013]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種分塊雙層自適應(yīng)擴(kuò)散圖像加密方法，其特征在于包含下述步驟： 步驟1 :混沌系統(tǒng)構(gòu)造 新混沌系統(tǒng)是由兩個(gè)不同的已有一維混沌映射作為種子映射構(gòu)造的非線性混沌系統(tǒng)， 構(gòu)造方程如下： Xn+1= (F(a, Xn)+G(b, Xn))modl (I) 其中F (a，Xn)、G (b，Xn)為種子映射，a，b分別為其控制參數(shù)；mod為取模操作，為保證 輸出數(shù)據(jù)在區(qū)間（0,1)內(nèi)；η為迭代次數(shù)； 本加密方法利用Logistic、Tent和Sine映射，兩兩組合作為種子映射，并按式（1)構(gòu) 造出三種新一維混沌映射系統(tǒng)；動(dòng)力學(xué)方程如下： Logistic-Tent映射動(dòng)力學(xué)方程：
Logistic-Sine映射動(dòng)力學(xué)方程： xn+1 = (L ( μ，X n) +S ((4 - μ )，xn)) modi =(μ χη(1-χη)+ (4-μ ) sin ( π χη)/4)modi, μ e (0,4) (3) Tent-Sine映射動(dòng)力學(xué)方程：
其中L，T，S分別表示Logistic、Tent、Sine映射；μ為系統(tǒng)控制參數(shù)，η為迭代次數(shù)； 與種子混沌映射相比，新一維混沌系統(tǒng)具有更為復(fù)雜的混沌特性，它在μ e (〇,4)時(shí)處于 混沌狀態(tài)，可見(jiàn)，新一維混沌系統(tǒng)具有更寬混沌范圍、更好混沌行為和混沌系統(tǒng)密度函數(shù)分 布較一致等優(yōu)點(diǎn)； 步驟2 :定義初始加密矩陣 設(shè)明文圖像為mXn的灰度圖像I，初始加密矩陣E是元素全為1的mXn矩陣，并將其 劃分成大小為tXt的矩陣子塊，共有（m/t) X (n/t)個(gè)子塊（其中t是m、n的公約數(shù)）； 步驟3 :混沌序列生成 Tx初女口τ??鑰 Key1A [k 工，x1(|，x2。，X3。，y 1，y 2，P 3]，Xl。，X2。，X3。，P 1，P 2，P 3為別為公 式（2)、（3)和⑷中初始值和初始參數(shù)； 1) 公式⑷迭代k次，產(chǎn)生長(zhǎng)度為k的混沌序列Ix' 3>j}，j = 1，2, ...，k，舍棄前Ic1 項(xiàng)，按公式（6)、（7)處理余項(xiàng)，得序列Ix3J，{y^}; y3> i= floor (xr3> j X 105-floor (xr3> j X IO5)) X 102mod8, (i = I, 2, . . . , p) (6) x3j i= floor (xr3, ！ X 106-floor (x' 3, ！ X IO6)) X 103modG，（i = 1，2, · · ·，p) (7) 其中p = t2, k = kjp，floor (.)表示向下取整，G為圖像灰度級(jí)； 2) 分別迭代公式（2)、（3)，取序列{y3, J中前p-1項(xiàng)作為采樣間隔，對(duì)迭代產(chǎn)生的混沌 序列從第匕+1項(xiàng)開(kāi)始進(jìn)行抽樣，生成序列Ix' J和Ix' 2, J，并對(duì)其按照公式（8)、（9) 處理，生成序列（XuJ和{x2,i}; Xlj i= floor (xru j X 106-floor (xr ^iX IO6)) X 103mod G, (i = I, 2, . . . , p) (8) x2j i= floor (xr2, ！ X 106-floor (x' 2, ！ X IO6)) X 103mod G，（i = 1，2, · · ·，p) (9) 3)按照公式（10)、（11)、（12)處理Ix1J、Ix2J和Ix3J序列生成混沌序列Iz 1J、 {z2，i}和（Z3J
(10) (11) (12) 步驟4:分塊雙層自適應(yīng)擴(kuò)散 此步驟通過(guò)結(jié)合Arnold正反向映射，不僅可以使每個(gè)像素的訪問(wèn)順序及每個(gè)位置的 存儲(chǔ)順序機(jī)會(huì)均等，增強(qiáng)置亂隨機(jī)性，克服常規(guī)Arnold映射從規(guī)則到隨機(jī)訪問(wèn)的缺陷，而 且在置亂過(guò)程中采用分塊雙層自適應(yīng)非線性擴(kuò)散，增加算法對(duì)密鑰、明文的敏感性；其分塊 雙層自適應(yīng)擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)步驟如下： 設(shè)密鑰Key2S [k p k2, ...，k7, cj ;首先，對(duì)明文圖像進(jìn)行Arnold反向映射，利用公式 (13)獲取明文圖像矩陣中隨機(jī)位置（X'，y')處的明文像素值I(x'，y');對(duì)初始加密 矩陣進(jìn)行Arnold正向映射，利用公式（14)產(chǎn)生隨機(jī)矩陣塊位置（g'，h')，并對(duì)此隨機(jī)矩 陣塊進(jìn)行Arnold正向映射，利用公式（15)產(chǎn)生此隨機(jī)塊中的隨機(jī)位置（k'，Γ );
) ) 其中 P1= z 1(1) M1= n/gcd(m，n)，p 2= z 2(1)，q2= (n/t)/gcd(m/t，n/t)，p 3= z 3(1)， q3= t/gcd(t，t)； 1) 塊內(nèi)隨機(jī)像素?cái)U(kuò)散 將隨機(jī)像素I (V，太）按公式（16)、（17)進(jìn)行如下像素替換、擴(kuò)散處理，并存入大小 為tXt過(guò)渡矩陣塊C的（k'，Γ )位置； 若 k' mod2 = 1，則，
其中c為前一個(gè)處理過(guò)的隨機(jī)像素；當(dāng)X = 1，y = 1時(shí)，c = Cci，直至填滿矩陣塊C ; 2) 隨機(jī)矩陣塊擴(kuò)散 為達(dá)到較佳置亂和擴(kuò)散效果，對(duì)已填滿的過(guò)渡矩陣塊C按公式（18)進(jìn)行如下塊擴(kuò)散處 理，并存入加密矩陣E中（g'，V )處的隨機(jī)塊內(nèi)；
(18) 其中C為前一個(gè)隨機(jī)加密矩陣塊；當(dāng)g=l，h=l時(shí)，C' = CQ;w = (z i+zfzJmodG 是長(zhǎng)度為P的隨機(jī)序列；Q1是由w序列生成tXt矩陣塊；Z3是混沌序列Z3轉(zhuǎn)化的tXt矩 陣塊； 3)密鑰擾動(dòng) 將當(dāng)前（g'，V )處加密矩陣塊中的像素作為擾動(dòng)因子，按如下方式擾動(dòng)混沌系統(tǒng)； 設(shè)
，利用M、N產(chǎn)生Logistic-Tent映射、 Logistic-Sine 映射及Tent-Sine映射混沌系統(tǒng)新的參數(shù)和初始值； Logistic-Tent 映射，U1= [k2+2(M+N+l)/G]/2, X10= (k3+MN)/2562 (19) Logistic-Sine 映射，μ 2= [k 4+2 (M+N+l)/G]/2, x2〇= (k5+MN)/2562 (20) Tent-Sine 映射，μ 3= [k 6+2 (M+N+l)/G]/2, X30= (k7+MN)/2562 (21) 上述擾動(dòng)密鑰方式不僅可以使密文像素的影響擴(kuò)散到整幅圖像，從而增強(qiáng)加密圖像對(duì) 密鑰、密文及明文的敏感性，而且匕，k2, . . .，k7, Ctl的引入可以增大密鑰空間； 利用上述系統(tǒng)產(chǎn)生的參數(shù)和初始值，對(duì)混沌系統(tǒng)進(jìn)行擾動(dòng)，產(chǎn)生新的混沌序列Zl，z2， Z3，供下一個(gè)隨機(jī)加密塊生成使用；依此類推，直至把E填滿，從而自適應(yīng)完成加密，并生成 加密圖像矩陣E ; 步驟5 :解密過(guò)程是加密的逆運(yùn)算。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分塊雙層自適應(yīng)擴(kuò)散圖像加密方法，其特征在于：所述的步 驟4采用分塊雙層自適應(yīng)替換加密方式，在隨機(jī)置亂過(guò)程中利用密文像素與密文像素、明 文像素及混沌隨機(jī)序列間的相互作用，將每個(gè)像素影響非線性地?cái)U(kuò)散到整幅圖像矩陣中， 并在擴(kuò)散過(guò)程中不斷擾動(dòng)混沌系統(tǒng)，形成自適應(yīng)擴(kuò)散過(guò)程，增強(qiáng)加密圖像對(duì)密鑰、密文及明 文的敏感性，保證加密的安全性。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種分塊雙層自適應(yīng)擴(kuò)散數(shù)字圖像加密方法。采用Logistic映射、Tent映射和Sine映射，進(jìn)行兩兩組合構(gòu)建三種新一維混沌映射，提取初始混沌序列，使其具有較寬的混沌范圍和較好的混沌行為；然后通過(guò)結(jié)合Arnold正反向映射，將置亂與擴(kuò)散同步進(jìn)行，不僅可以使每個(gè)像素的訪問(wèn)順序及每個(gè)位置的存儲(chǔ)順序機(jī)會(huì)均等，增強(qiáng)置亂隨機(jī)性，克服常規(guī)Arnold映射從規(guī)則到隨機(jī)訪問(wèn)的缺陷，而且在置亂過(guò)程中采用分塊雙層自適應(yīng)擴(kuò)散，利用密文像素與密文像素、明文像素及混沌隨機(jī)序列間的相互作用，將每個(gè)像素影響非線性地?cái)U(kuò)散到整幅圖像矩陣中，并在擴(kuò)散過(guò)程中不斷擾動(dòng)混沌系統(tǒng)，形成自適應(yīng)擴(kuò)散過(guò)程，增強(qiáng)加密圖像對(duì)密鑰、密文及明文的敏感性。
【IPC分類】G06T1-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104766264
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510043606
【發(fā)明人】張紹武, 徐亞, 宋金林
【申請(qǐng)人】西北工業(yè)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年7月8日
【申請(qǐng)日】2015年1月22日