專利名稱：基于Cat映射與超混沌Lorenz系統(tǒng)的數(shù)字圖像加密方法
基于Cat映射與超混沌Lorenz系統(tǒng)的數(shù)字圖像加密方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于圖像加密領(lǐng)域,具體涉及一種基于Cat映射與超混沛Lorenz系統(tǒng)的數(shù)字圖像加密方法。
背景技術(shù)：
人類接受的信息有70%以上來自視覺，其中包括圖像、圖形(動畫)、視頻、文本等。圖像信息形象、生動，是人類廣為利用、不可或缺的表達(dá)信息的重要手段之一。近年來，伴隨著多媒體與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字圖像作為最直觀的信息載體已成為人們進(jìn)行信息交流的重要手段，越來越多的數(shù)字圖像在以Internet、無線網(wǎng)絡(luò)等為代表的開放性網(wǎng)絡(luò)中傳播，極大的方便了信息的訪問與共享。與此同時，由于圖像信息涉及商業(yè)、金融、醫(yī)療、科研、軍事、政治等眾多領(lǐng)域的敏感信息，其在開放網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的傳輸存在著巨大的安全隱患，經(jīng)常會吸引各種人為的攻擊，包括信息的非法竊取、復(fù)制與發(fā)布等，給信息擁有者造成巨大的損失。目前，信息安全不單單是關(guān)系到個人隱私的問題，也是關(guān)系到商業(yè)機(jī)密和企業(yè)生存的問題，更是關(guān)系到軍事機(jī)密和國家安全的重要問題。
圖像信息安全是集數(shù)學(xué)、密碼學(xué)、信息學(xué)及計算機(jī)科學(xué)于一體的多學(xué)科交叉性研究課題。其核心問題之一是密碼理論及其應(yīng)用，通過加密變換，將可讀的文件和圖像變換成不可理解的偽隨機(jī)信息，從而起到保護(hù)圖像和信息的作用。當(dāng)前信息安全的主流密碼學(xué)理論均以基于算法復(fù)雜性理論為特征，典型代表有DES (數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn))、AES (高級加密標(biāo)準(zhǔn))、IDEA算法、RSA算法以及橢圓曲線密碼算法ECC等。然而，在設(shè)計數(shù)字圖像加密算法時，必須考慮其特殊性。與普通文字信息相比，數(shù)字圖像具有容量大、冗余度高、可理解性好等特點(diǎn)，而上述通用經(jīng)典加密算法并未考慮到圖像信息的這些特殊性，因此并不適合于圖像加密，尤其近年來隨著寬帶網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的普及，經(jīng)典算法在加密速度上越來越不能滿足日益增長的實(shí)時圖像安全傳輸?shù)男枨蟆?br> 近年來混沌理論的發(fā)展為密碼學(xué)提供了一個全新的思路。自上世紀(jì)90年代中期以來，很多學(xué)者發(fā)現(xiàn)混沌學(xué)與密碼學(xué)之間存在著天然的聯(lián)系?；煦缦到y(tǒng)具有初值與系統(tǒng)參數(shù)極端敏感性、遍歷性、軌道不可預(yù)測性以及良好的偽隨機(jī)性等一系列特性，而一個好的密碼系統(tǒng)應(yīng)滿足如下條件:①把明文變換為盡可能隨機(jī)的密文。即密文中應(yīng)沒有任何確定的模式，這通常是由某個基本的加密函數(shù)的迭代來實(shí)現(xiàn)的；②加密算法對明文具有高度敏感性，即兩個稍有差異的明文應(yīng)產(chǎn)生完全不同的密文；③加密系統(tǒng)對密鑰有高度敏感性。即當(dāng)稍有差異的密鑰應(yīng)用于相同的明文時，會產(chǎn)生完全不同的密文。混沌的這些特性正好能夠滿足密碼系統(tǒng)的要求，因而近十年來混沌密碼學(xué)得到了廣泛的研究，已成為現(xiàn)代密碼學(xué)的一個重要分支，具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?br> 基于混沌動力學(xué)構(gòu)造的加密系統(tǒng)，提供了安全性與加密效率的一個良好的平衡，其既具有很高的安全性保證，又具有軟、硬件實(shí)現(xiàn)簡單，速度較快的特點(diǎn)，特別適合于對數(shù)據(jù)量較大的數(shù)字圖像進(jìn)行加密，實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像的實(shí)時、安全傳輸。目前，混沌圖像加密算法已成為圖像信息安全的主流技術(shù)和研究熱點(diǎn)。1998年，美國學(xué)者Fridrich發(fā)表了混沌圖像力口密的奠基性文章“Symmetric ciphers based on two-dimensional chaotic maps”，在該文中首次提出了一種通用的混沌數(shù)字圖像加密架構(gòu):置亂一擴(kuò)散架構(gòu)(Confusion—Diffusion)，如

圖1所示，加密系統(tǒng)由兩個迭代模塊組成，分別實(shí)現(xiàn)消除相鄰像素間的相關(guān)性和改變圖像的統(tǒng)計特性。在置亂階段，圖像中每個像素點(diǎn)的位置以一種偽隨機(jī)方式被打舌L。置亂操作通?；贏rnoldCat映射,Baker映射以及Standard映射三種2D保面積可逆混沌映射實(shí)現(xiàn)。在置亂過程中，像素值保持不變。在擴(kuò)散階段，每一點(diǎn)的像素值按從上至下、從左至右的順序依次被改變并且對某個像素值的改變，依賴于該像素點(diǎn)所有前面已加密的像素值的累積效應(yīng)。因此一個像素值的微小改變，可有效的擴(kuò)散到圖像中后續(xù)的所有像素，從而使加密系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗差分攻擊能力。用于擴(kuò)散的密鑰流通過混沌映射迭代與量化產(chǎn)生，像素值的改變以異或運(yùn)算為基礎(chǔ)加以實(shí)現(xiàn)。加密系統(tǒng)的密鑰為控制置亂一擴(kuò)散過程的混沌映射的初始參數(shù)與初始值。為了達(dá)到充分消除相鄰像素間的相關(guān)性的目的，置亂過程共迭代m輪(m > I)。整體置亂一擴(kuò)散操作可根據(jù)安全性需求執(zhí)行η輪(η > I)。
在其后十余年間，世界各國學(xué)者以此框架為基礎(chǔ)，對基于混沌的數(shù)字圖像加密技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了廣泛深入的研究，取得了諸多成果。然而，絕大多數(shù)已有成果在擴(kuò)散階段均采用低維混沛系統(tǒng)，如Logistic映射、Chebyshev映射以及Tent映射。近年來的研究指出，基于低維混沌系統(tǒng)構(gòu)建的圖像加密系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、速度快的優(yōu)點(diǎn)，但其密鑰空間小、安全性較低的缺點(diǎn)同樣十分突出。此外，對于絕大部分已有成果，用于擴(kuò)散的密鑰流僅與密鑰相關(guān)，因而加密系統(tǒng)易受到已知明文或選擇明文攻擊。以上缺點(diǎn)極大的阻礙了這一極具潛力的技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用。與一般的混沌系統(tǒng)相比，超混沌系統(tǒng)擁有一個以上的正李雅普諾夫指數(shù)，具有更為復(fù)雜的動力學(xué)行為和更多的系統(tǒng)變量。這意味著基于超混沌系統(tǒng)構(gòu)建的加密系統(tǒng)具有更強(qiáng)的不可預(yù)測性和更大的密鑰空間，可很好地解決多數(shù)現(xiàn)有混沌圖像加密系統(tǒng)所遇到的安全性問題。發(fā)明內(nèi)容
針對 現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種基于Cat映射與超混沌Lorenz系統(tǒng)的數(shù)字圖像加密方法，以達(dá)到提升加密系統(tǒng)抗窮舉攻擊、已知明文攻擊和選擇明文攻擊能力的目的。
一種基于Cat映射與超混沌Lorenz系統(tǒng)的數(shù)字圖像加密方法，包括以下步驟:
步驟1:采用廣義離散Cat映射對明文圖像進(jìn)行置亂處理，即改變圖像中每一像素點(diǎn)的位置；
步驟1-1:設(shè)待加密明文圖像的大小為MXN ;若M = N，即待加密圖像為正方形圖像，則執(zhí)行步驟1-3 ;否則執(zhí)行步驟1-2 ；
步驟1-2:將非正方形圖像按從上到下、從左到右的順序，轉(zhuǎn)換為邊長為
Ls = ceil W MxN)(I)
的正方形圖像，其中，函數(shù)ceil (X)表示函數(shù)的返回值為距離X最近的大于或等于X的整數(shù)；轉(zhuǎn)換后不足的像素點(diǎn)個數(shù)R如下:
R= Ls2 - MXAr(2)
不足的像素點(diǎn)用取值范圍為[O 255]的隨機(jī)整數(shù)填充；所述的該隨機(jī)整數(shù)采用Logistic混沌映射量化產(chǎn)生；解密時，將填充的像素點(diǎn)刪除，即可恢復(fù)大小為MXN的明文圖像；
步驟1-3:采用廣義離散Cat映射對圖像進(jìn)行置亂，消除相鄰像素間的相關(guān)性；公式如下:
權(quán)利要求
1.一種基于Cat映射與超混沌Lorenz系統(tǒng)的數(shù)字圖像加密方法，其特征在于:包括以下步驟: 步驟1:采用廣義離散Cat映射對明文圖像進(jìn)行置亂處理，即改變圖像中每一像素點(diǎn)的位置； 步驟1-1:設(shè)待加密明文圖像的大小為MXN;若M=N，即待加密圖像為正方形圖像，則執(zhí)行步驟1-3 ;否則執(zhí)行步驟1-2 ； 步驟1-2:將非正方形圖像按從上到下、從左到右的順序，轉(zhuǎn)換為邊長為
全文摘要
本發(fā)明一種基于Cat映射與超混沌Lorenz系統(tǒng)的數(shù)字圖像加密方法，屬于圖像加密領(lǐng)域，本發(fā)明提出的圖像加密系統(tǒng)，其密鑰長度為247位，高于經(jīng)典密碼學(xué)算法DES(56位)，AES(基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)為128位)及IDEA(128位)；本發(fā)明通過引入與明文相關(guān)的密鑰流生成機(jī)制，使密鑰流不僅與密鑰相關(guān)，而且與明文相關(guān)；即使使用相同的擴(kuò)散密鑰，在加密不同的明文圖像時，所生成的密鑰流也是不同的；因此，加密系統(tǒng)的抗已知/選擇明文攻擊的能力得到了顯著提高。
文檔編號H04N1/32GK103167213SQ20131004883
公開日2013年6月19日 申請日期2013年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月7日
發(fā)明者付沖, 陳俊鑫 申請人:東北大學(xué)