一種應(yīng)用于隱私保護(hù)的混沌醫(yī)學(xué)圖像加密方法
【專利摘要】本發(fā)明一種應(yīng)用于隱私保護(hù)的混沌醫(yī)學(xué)圖像加密方法，屬于圖像加密【技術(shù)領(lǐng)域】，該方法由三個(gè)獨(dú)立的logistic混沌映射驅(qū)動(dòng)，在置亂階段，圖像中的每一個(gè)像素點(diǎn)與另外一個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行交換，而目標(biāo)像素點(diǎn)的位置由兩個(gè)logistic混沌映射產(chǎn)生；擴(kuò)散階段所使用的密鑰流由第三個(gè)logistic映射產(chǎn)生；在密鑰流生成過(guò)程中，每一個(gè)密鑰流元素均在明文像素控制下進(jìn)行循環(huán)移位操作，以達(dá)到密鑰流與明文相關(guān)的目的；本發(fā)明提出的醫(yī)學(xué)影像加密方法，其置亂效果與置亂速度綜合性能優(yōu)于現(xiàn)有置亂方法，加密系統(tǒng)整體速度顯著優(yōu)于現(xiàn)代密碼學(xué)中常見(jiàn)的分組加密方法；密碼學(xué)分析結(jié)果表明，本發(fā)明所提出的加密方法可有效抵御各類常見(jiàn)的攻擊手段。
【專利說(shuō)明】一種應(yīng)用于隱私保護(hù)的混沌醫(yī)學(xué)圖像加密方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于圖像加密【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種應(yīng)用于隱私保護(hù)的混沌醫(yī)學(xué)圖像加密方法。
【背景技術(shù)】
[0002]人類醫(yī)學(xué)影像成像歷史最早可以追溯到德國(guó)物理學(xué)家倫琴于1895年發(fā)現(xiàn)X射線；1896年2月，蘇格蘭醫(yī)生約翰.麥金泰在格拉斯哥皇家醫(yī)院設(shè)立了世界上第一個(gè)放射科，為人類醫(yī)學(xué)歷史揭開(kāi)了新的一頁(yè)；近半世紀(jì)以來(lái)，伴隨著放射學(xué)、物理學(xué)、半導(dǎo)體學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)、控制學(xué)等多學(xué)科技術(shù)的迅猛發(fā)展，人類相繼發(fā)明了多種人體成像技術(shù)，例如:CT、MRI (磁共振成像)、DSA(數(shù)字減影)、匪(核醫(yī)學(xué)成像)、US(超聲掃描顯像裝置)、CR(計(jì)算機(jī)投影射線照像術(shù))、PET (正電子發(fā)射斷層X(jué)線照相術(shù))等。這些新的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)為臨床診斷提供了豐富的影像學(xué)資料，在相當(dāng)程度上提高了醫(yī)療機(jī)構(gòu)的診斷和治療水平。
[0003]傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)影像大多采用固體膠片、圖片、紙質(zhì)資料等存儲(chǔ)方式，顯然已無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代醫(yī)院中對(duì)海量和大范圍醫(yī)學(xué)影像的管理要求。目前，實(shí)現(xiàn)放射科徹底無(wú)膠片化和醫(yī)院數(shù)字化，已經(jīng)成為現(xiàn)代化醫(yī)療系統(tǒng)不可阻擋的潮流。PACS系統(tǒng)(Picture Archiving &Communication System),即醫(yī)學(xué)影像存儲(chǔ)和傳輸系統(tǒng),它是放射學(xué)、影像醫(yī)學(xué)、數(shù)字化圖像技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及通信技術(shù)的結(jié)合，它將各類醫(yī)學(xué)影像資料轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)數(shù)字形式，通過(guò)高速計(jì)算設(shè)備及通信網(wǎng)絡(luò)，完成對(duì)圖像信息的采集、存儲(chǔ)、管理、處理及傳輸?shù)裙δ?，使得圖像資料得以有效管理和充分利用。
[0004]醫(yī)學(xué)影像信息系統(tǒng)的應(yīng)用在給廣大醫(yī)療機(jī)構(gòu)帶來(lái)顯著的診療水平提升的同時(shí)，也面臨著巨大的安全威脅。醫(yī)療數(shù)據(jù)中往往包含大量的患者隱私信息，無(wú)論基于法律還是倫理道德角度考慮，都需要建立一套完善的授權(quán)訪問(wèn)機(jī)制。因此，如何在網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中有效的保護(hù)患者隱私是數(shù)字化醫(yī)療面臨的一個(gè)重要課題。PACS平臺(tái)中的醫(yī)學(xué)影像傳輸一般基于醫(yī)院內(nèi)部的Intranet實(shí)現(xiàn)，一般可通過(guò)設(shè)置有效的防火墻來(lái)防止入侵者對(duì)數(shù)據(jù)的非法竊取。然而，隨著遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的日益廣泛，越來(lái)越多的醫(yī)療信息通過(guò)以Internet為代表的公共網(wǎng)絡(luò)在不同的醫(yī)院間、患者家庭與醫(yī)院間以及醫(yī)生家庭與醫(yī)院間進(jìn)行傳輸。公共網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用在給遠(yuǎn)程檢查，遠(yuǎn)程診斷，遠(yuǎn)程會(huì)診帶來(lái)便捷性的同時(shí)，也對(duì)患者的隱私保護(hù)帶來(lái)了極大的威脅。因此美國(guó)聯(lián)邦政府制定了多項(xiàng)保障醫(yī)療信息安全的強(qiáng)制性規(guī)范。例如，HIPAA(Health Insurance Portability and Accountability Act)規(guī)定，醫(yī)療系統(tǒng)必須采取合適的手段以保障患者信息只對(duì)專業(yè)醫(yī)療人員開(kāi)放。
[0005]現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)影像信息系統(tǒng)中的安全機(jī)制絕大部分基于現(xiàn)代密碼學(xué)中典型的加密算法構(gòu)建，例如DES，AES，IDEA等。然而，不同于普通的文本信息，數(shù)字圖像具有容量大、冗余度高及可理解性好等特點(diǎn)。以上所列舉的典型加密算法，可以應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影像的隱私保護(hù)，但其并未考慮到圖像信息的固有特點(diǎn)，因此并不適合于醫(yī)學(xué)圖像加密。尤其在加密速度方面，不能滿足日益增長(zhǎng)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程醫(yī)療的需求。因此，構(gòu)建一個(gè)高效率、高安全性、適用于實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)圖像傳輸以及其它遠(yuǎn)程診斷應(yīng)用的加密系統(tǒng)，是當(dāng)前數(shù)字醫(yī)學(xué)影像系統(tǒng)建設(shè)的一個(gè)迫切需求。
[0006]近年來(lái)混沌理論的發(fā)展為密碼學(xué)提供了一個(gè)全新的思路。自上世紀(jì)90年代初以來(lái)，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)具有的初值與系統(tǒng)參數(shù)極端敏感性、遍歷性、軌道不可預(yù)測(cè)性以及良好的偽隨機(jī)性等一系列特性，使其能夠很好的滿足構(gòu)建一個(gè)安全性能良好的密碼系統(tǒng)的需求。基于混沌動(dòng)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(gè)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(jiǎn)單，速度較快的特點(diǎn)，特別適合于對(duì)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(shí)、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)，具有極大的應(yīng)用潛力。
[0007]1998年，美國(guó)學(xué)者Jessica Fridrich發(fā)表了混沌圖像加密的奠基性論文“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)，如圖1所示。
[0008]該架構(gòu)由“置亂”(confusion)與“擴(kuò)散”(diffusion)兩個(gè)核心部分組成，分別用以消除相鄰像素間的相關(guān)性和改變圖像的統(tǒng)計(jì)特性。加密系統(tǒng)的密鑰為控制置亂-擴(kuò)散過(guò)程的混沌映射的控制參數(shù)與初始條件。在置亂階段，圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的位置以一種偽隨機(jī)的方式被打亂，但像素值保持不變。置亂操作通常基于三種保面積可逆混沌映射實(shí)現(xiàn)，即Arnold cat映射,baker映射以及standard映射。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(guò)程共迭代Rm輪(Rm> I)。對(duì)于擴(kuò)散過(guò)程，除了改變每個(gè)點(diǎn)的像素值以外，其另一個(gè)核心功能是將每個(gè)像素點(diǎn)的影響擴(kuò)散至整個(gè)密文圖像，從而保證加密系統(tǒng)可有效抵御差分攻擊。整體置亂-擴(kuò)散操作共執(zhí)行Rn輪(Rn > I)，以滿足不同的安全等級(jí)要求。顯然，Rn值越大，安全性越高，但系統(tǒng)執(zhí)行速度越低。
[0009]在其后十余年間，世界各國(guó)學(xué)者以此框架為基礎(chǔ)，對(duì)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。隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)存在兩個(gè)方面的缺陷:
[0010](I)置亂技術(shù)
[0011]數(shù)字圖像是由定義在二維空間的離散的像素點(diǎn)所構(gòu)成的。因此，用于實(shí)現(xiàn)圖像置亂的混沌映射也必須進(jìn)行相應(yīng)的離散化操作。混沌系統(tǒng)是一種典型的非線性非周期系統(tǒng)。然而，經(jīng)離散化的混沌系統(tǒng)一般不再具有非周期性。這意味著一幅圖像在經(jīng)離散保面積混沌系統(tǒng)置亂若干輪后，將有可能回到其初始狀態(tài)，從而失去了置亂的意義。此夕卜，以上所述三種混沌系統(tǒng)，只能作用于正方形圖像。對(duì)于更為一般的長(zhǎng)方形圖像，必須首先將其轉(zhuǎn)換為正方形，這無(wú)疑降低了加密系統(tǒng)的效率。為解決上述問(wèn)題，文獻(xiàn)“Anovelchaos—basedbit—level permutation scheme for digital image encryption, OpticsCommunications, 284 (23), 5415-5423, 2011 ” 和文獻(xiàn) “ Image encryption based on a newtotal shuffling algorithm, Chaos Solitons & Fractals, 38 (I)，213-220，2008” 分別提出了一種基于混沌序列排序和混沌偽隨機(jī)置亂矩陣的圖像置亂方法。以上兩種方法在解決上述所討論缺陷的同時(shí)，仍然存在著一定的不足。對(duì)以上兩種算法的測(cè)試表明，基于混沌序列排序的置亂方法在置亂效果上并不十分理想，其原因在于該方法以行和列為置亂單位，而非像素。而基于混沌偽隨機(jī)置亂矩陣的置亂方法運(yùn)行效率較低，其原因在于由混沌系統(tǒng)量化生成的偽隨機(jī)坐標(biāo)存在重復(fù)性，為保證置亂矩陣中坐標(biāo)的唯一性，實(shí)際所需的迭代次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)坐標(biāo)數(shù)目。
[0012](2)擴(kuò)散技術(shù)
[0013]在大多數(shù)現(xiàn)有成果中，用于擴(kuò)散的密鑰流僅與密鑰相關(guān)，即如果密鑰不加以更改，相同的密鑰流將用于加密不同的明文圖像。顯而易見(jiàn)，此類設(shè)計(jì)方法在單輪加密的情況下，極易受到選擇明文或已知明文攻擊。攻擊者可構(gòu)造一幅由特殊像素值構(gòu)成的明文圖像(例如全白或全黑圖像)，應(yīng)用加密系統(tǒng)對(duì)該圖像進(jìn)行加密。眾所周知，在現(xiàn)代密碼學(xué)中，加密算法是要求公開(kāi)的，即加密系統(tǒng)的安全性不依賴于算法的保密性。攻擊者基于對(duì)加密算法的掌握，通過(guò)將密文圖像與明文圖像相比較，可得到使用的密鑰流?；诖鷥r(jià)考慮，在絕大部分現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，加密系統(tǒng)一般不采用一次一密機(jī)制，因此密鑰流的破解意味著加密系統(tǒng)的失效。為解決這一問(wèn)題，文獻(xiàn)“A new chaos-based fast image encryption algorithm,Applied Soft Computing，11(1)，514-522，2011”提出了一種與明文相關(guān)的密鑰流生成算法。該方法通過(guò)明文控制產(chǎn)生一個(gè)密鑰流元素所需的迭代次數(shù)，從而有效抵御以上兩種攻擊。但該方法帶來(lái)的一個(gè)問(wèn)題是，迭代次數(shù)的增加使加密系統(tǒng)的速度有一定的降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種應(yīng)用于隱私保護(hù)的混沌醫(yī)學(xué)圖像加密方法，以達(dá)到優(yōu)化置亂效果與置亂速度綜合性能、解決混沌映射離散化后存在的周期性和只能應(yīng)用于正方形圖像的問(wèn)題，及提高執(zhí)行效率目的。
[0015]一種應(yīng)用于隱私保護(hù)的混沌醫(yī)學(xué)圖像加密方法，包括以下步驟:
[0016]步驟1、建立三個(gè)logistic混沛映射,設(shè)定三個(gè)logistic混沛映射的控制參數(shù),使logistic混沌映射工作在滿射狀態(tài)，并由加密者設(shè)置加密系統(tǒng)的密鑰；
[0017]所述的三個(gè)logistic混沌映射如公式⑴~(3)所示:
[0018]xn+1 = rxn(l-xn)(I)
[0019]X' n+1=rx' n Q-X' η)(2)
[0020]χ" n+1=rx" n(l-x" η)(3)
[0021]其中，r表示logistic混沛映射的控制參數(shù),取值為4 ;χη表示第一 logistic混沛映射的第η次迭代的狀態(tài)變量值，xn e [O, I]，其初始值為Xci, xn+1表示第一 logistic混沛映射的第n+1次迭代的狀態(tài)變量值，xn+1 e [O, I] ;x' ?表示第二 logistic混沌映射的第η次迭代的狀態(tài)變量值，χ' n e [0，1]，其初始值為χ' 0, Xi n+1表示第二 logistic混沌映射的第n+1次迭代的狀態(tài)變量值，χ' n+1 e [O, I], χ" n表示第三logistic混沛映射的第η次迭代的狀態(tài)變量值，χ" n e [0，1]，其初始值為乂〃。，χ" n+1表示第三logistic混沌映射的第n+1次迭代的狀態(tài)變量值，χ" n+1 e [0,1];所述的加密系統(tǒng)的密鑰為(Χ(1，χ'
? ο)；
[0022]步驟2、將三個(gè)logistic混沌映射進(jìn)行預(yù)迭代，預(yù)迭代次數(shù)為N。次，N0≥200 ；
[0023]步驟3、根據(jù)第一 logistic映射和第二 logistic映射產(chǎn)生偽隨機(jī)坐標(biāo),改變圖像中每一個(gè)像素點(diǎn)的位置，以消除相鄰像素點(diǎn)間的相關(guān)性，完成對(duì)明文圖像的置亂處理，具體如下:
[0024]步驟3-1、在步驟2的基礎(chǔ)上繼續(xù)迭代第一 logistic混沛映射和第二 logistic混沛映射，并對(duì)第一 logistic混沛映射的當(dāng)前狀態(tài)變量Xn和第二混沛logistic映射的當(dāng)前狀態(tài)變量χ ' η進(jìn)行量化，獲得一個(gè)偽隨機(jī)坐標(biāo)；
【權(quán)利要求】
1.一種應(yīng)用于隱私保護(hù)的混沌醫(yī)學(xué)圖像加密方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1、建立三個(gè)logistic混沛映射，設(shè)定三個(gè)logistic混沛映射的控制參數(shù)，使logistic混沌映射工作在滿射狀態(tài)，并由加密者設(shè)置加密系統(tǒng)的密鑰； 所述的三個(gè)logistic混沛映射如公式(I)~(3)所示: xn+i = rxn (1-Xn)(I) X' n+1 = rx' η(1_χ/ η)⑵ χ" n+1 = rx" n(l-x" n)(3) 其中，r表示logistic混沛映射的控制參數(shù),取值為4 ;xn表示第一 logistic混沛映射的第η次迭代的狀態(tài)變量值，xn e [O, I]，其初始值為Xci, xn+1表示第一 logistic混沛映射的第n+1次迭代的狀態(tài)變量值，xn+1 e [O, I] ;x' ?表示第二 logistic混沌映射的第η次迭代的狀態(tài)變量值，χ' n e [0，1]，其初始值為χ' ο, Xi n+1表示第二 logistic混沌映射的第n+1次迭代的狀態(tài)變量值，χ' n+1 e [O, I], χ" n表示第三logistic混沛映射的第η次迭代的狀態(tài)變量值，χ" n e [0，1]，其初始值為乂〃。，χ" n+1表示第三logistic混沌映射的第n+1次迭代的狀態(tài)變量值，χ" n+1 e [0,1];所述的加密系統(tǒng)的密鑰為(Χ(1，χ'? ο)； 步驟2、將三個(gè)logistic混沌映射進(jìn)行預(yù)迭代，預(yù)迭代次數(shù)為N。次，N0 ^ 200 ； 步驟3、根據(jù)第一 logistic映射和第二 logistic映射產(chǎn)生偽隨機(jī)坐標(biāo),改變圖像中每一個(gè)像素點(diǎn)的位置，以消除相鄰像素點(diǎn)間的相關(guān)性，完成對(duì)明文圖像的置亂處理，具體如下: 步驟3-1、在步驟2的基礎(chǔ)上繼續(xù)迭代第一 logistic混沛映射和第二 logistic混沛映射，并對(duì)第一 logistic混沌映射的當(dāng)前狀態(tài)變量Xn和第二混沌logistic映射的當(dāng)前狀態(tài)變量χ ' η進(jìn)行量化，獲得一個(gè)偽隨機(jī)坐標(biāo)；m = mod ^rmmd (xn XIO14).M ],
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于隱私保護(hù)的混沌醫(yī)學(xué)圖像加密方法，其特征在于，步驟4-4所述的指定順序包括奇數(shù)輪加密順序和偶數(shù)輪加密順序，其中，奇數(shù)輪加密順序?yàn)?從圖像左上角第一個(gè)像素點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行擴(kuò)散，自左向右，自上向下，直至右下角最后一個(gè)像素點(diǎn)擴(kuò)散結(jié)束；偶數(shù)輪加密順序?yàn)?從圖像右下角最后一個(gè)點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行擴(kuò)散，自下向上，自右向左，直至左上角第一個(gè)點(diǎn)擴(kuò)散結(jié)束。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于隱私保護(hù)的混沌醫(yī)學(xué)圖像加密方法，其特征在于，步驟5所述的進(jìn)行多輪加密，對(duì)于每一輪加密均采用不同的密鑰。
【文檔編號(hào)】H04L9/00GK103916234SQ201410145676
【公開(kāi)日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2014年4月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月11日
【發(fā)明者】詹永豐, 周巍, 楊春梅, 劉文岐, 胡英杰, 王東亮 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍沈陽(yáng)軍區(qū)總醫(yī)院