本發(fā)明屬于彩色圖像混沌加密領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種基于混沌理論的跨層均勻洗牌彩色圖像加密算法。

背景技術(shù)：

1、目前已有的一些圖像加密方法有基于比特平面的圖像加密、基于數(shù)據(jù)流的圖像加密]，基于dna編碼以及s盒的圖像加密，基于小波的圖像加密、androd?transform]和基于混沌的圖像加密，其中基于混沌的圖像加密方法往往有著更加低廉的計(jì)算成本，并且因?yàn)榛煦缬成鋵?duì)初始點(diǎn)和參數(shù)值的選取非常敏感，具有強(qiáng)大的不可預(yù)測(cè)性所以基于混沌映射的圖像加密算法也具有很好的安全性。

2、在加密算法方面以往基于混沌的彩色圖像的加密算法的實(shí)現(xiàn)是基于單通道的加密方法，通過(guò)對(duì)r,g,b三個(gè)通道獨(dú)立重復(fù)執(zhí)行單通道加密以實(shí)現(xiàn)對(duì)彩色圖像整個(gè)的加密，但是這種方法存在一定的隱患，由于三個(gè)通道獨(dú)立地進(jìn)行加密最后拼接在一起，即攻擊者并不需要完全破解r,g,b三個(gè)通道的信息，只需要分析破解一個(gè)通道的加密方式就可以得到正確的單通道圖像，即使無(wú)法獲得與原來(lái)一樣的彩色圖像，但被破解的單通道圖像也暴露了原來(lái)彩色圖像的正確的區(qū)域位置信息和像素統(tǒng)計(jì)信息，這對(duì)于加密者來(lái)說(shuō)是一種重大的損失。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述技術(shù)不足，本發(fā)明提出了一種基于混沌理論的跨層均勻洗牌彩色圖像加密算法，對(duì)于加密大尺寸彩色圖像需要的時(shí)間代價(jià)更小，并且在安全性檢驗(yàn)上，相較于其他加密方法，sinsingerie有著更加優(yōu)秀的安全性能。

2、本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：一種基于混沌理論的跨層均勻洗牌彩色圖像加密方法，包括以下步驟：

3、利用一維singer混沌函數(shù)構(gòu)建2d-sinsinger混沌函數(shù)；

4、利用2d-sinsinger混沌函數(shù)生成初始密鑰；

5、利用2d-sinsinger設(shè)計(jì)洗牌算法；

6、利用洗牌算法進(jìn)行基于比特平面的r、g、b像素洗牌；

7、利用洗牌算法進(jìn)行r、g、b區(qū)域洗牌；

8、根據(jù)2d-sinsinger混沌函數(shù)生成的初始秘鑰，進(jìn)行比特?cái)U(kuò)散，完成彩色圖像的加密。

9、所述2d-sinsinger混沌函數(shù)如下：

10、

11、其中，a超參數(shù)，xn,yn是輸入的序列值，xn+1,yn+1是輸出的序列值。

12、通過(guò)隨機(jī)性測(cè)試對(duì)2d-sinsinger混沌函數(shù)進(jìn)行評(píng)估，具體為：

13、

14、其中，xi是利用混沌函數(shù)xn+1＝f(xn)生成的序列值，i＝1,2,3,...,n；x0為起始點(diǎn)，le(x0)是lyapunov指數(shù)在x0處的值；

15、當(dāng)lyapunov指數(shù)為正，該混沌函數(shù)是不可預(yù)測(cè)的；否則，可預(yù)測(cè)。

16、所述利用2d-sinsinger混沌函數(shù)生成初始密鑰，包括以下步驟：

17、將原始的彩色圖像轉(zhuǎn)換為字節(jié)流作為輸入，使用sha-512得到512個(gè)比特位，對(duì)于前240位按20位為一組進(jìn)行劃分，{x0,y0}、{x1,y1}均使用5組，{a}使用2組；其中每組的20比特為{k1,k2,k3,...,k20}按照ieee?754標(biāo)準(zhǔn)生成十進(jìn)制參數(shù)：生成240位安全密鑰，按20位一組得到12組keys，生成2d-sinsinger的初始條件{x0,y0,x1,y1,a}：

18、

19、其中，{x0,y0}、{x1,y1}表示2d-sinsinger混沌函數(shù)的兩次不同的初始輸入值，a為超參數(shù)。

20、所述利用2d-sinsinger設(shè)計(jì)洗牌算法，包括以下步驟：

21、設(shè)定數(shù)量為3的倍數(shù)c的牌，得到相應(yīng)大小的發(fā)牌數(shù)組lsend；

22、將數(shù)組按照順序3等分分為[r1,r2,r3],其中r1、r2、r3的數(shù)量為c/3、是lsend的子數(shù)組，此時(shí)r1、r2、r3子數(shù)組中有等數(shù)量的1、2、3；每個(gè)子數(shù)組1、2、3的數(shù)量差距不超過(guò)2個(gè)，以確保最后分發(fā)的牌的數(shù)量均勻且相等；

23、同時(shí)，通過(guò)大小為c的order數(shù)組決定發(fā)牌的順序，所述order數(shù)組由根據(jù)初始條件{x0,y0,a}通過(guò)2d-sinsinger混沌函數(shù)生成的c個(gè)混沌序列填充，將order數(shù)組也按照順序三等分為[f1,f2,f3],最后按照f(shuō)1、f2、f3子數(shù)組中的大小順序分別從小到大排列f1、f2、f3數(shù)組得到索引發(fā)牌子數(shù)組q1、q2、q3，并按照該q1、q2、q3分別重排r1、r2、r3得到p1、p2、p3組成發(fā)牌數(shù)組lsend；按照l(shuí)send數(shù)組中的p1、p2、p3子數(shù)組中的數(shù)字進(jìn)行發(fā)牌，1、2、3分別對(duì)應(yīng)1號(hào)接牌者、2號(hào)接牌者、3號(hào)接牌者。

24、所述利用洗牌算法進(jìn)行基于比特平面的r、g、b像素洗牌，包括以下步驟：

25、對(duì)于維度為m×n×3的彩色圖像，最后一個(gè)維度由r、g、b三個(gè)通道構(gòu)成，將r、g、b三個(gè)通道每個(gè)通道轉(zhuǎn)化為8位二進(jìn)制比特位構(gòu)成的數(shù)組，彩色圖像的維度變成m×n×24，此時(shí)以第三個(gè)通道為基準(zhǔn)，得到24個(gè)比特平面，相當(dāng)于獲得24張m×n×1的牌；

26、此時(shí)將r、g、b三個(gè)通道看作接牌者，利用2d-sinsinger混沌函數(shù)和密鑰生成的初始值x0,y0生成的混沌序列得到大小為24的lsend數(shù)組，此時(shí)按照l(shuí)send數(shù)組重新分配給r、g、b三個(gè)通道每個(gè)通道8張m×n×1的牌；最后組合每一個(gè)通道，得到一個(gè)具有與原彩色圖像不同像素值的圖像。

27、所述利用洗牌算法進(jìn)行r、g、b區(qū)域洗牌，包括以下步驟：

28、對(duì)于維度為m×n×3的彩色圖像，以第二個(gè)維度為基準(zhǔn)，相當(dāng)于一個(gè)通道有n列m*1的像素條，r、g、b三個(gè)通道共有3n個(gè)像素條，將3n個(gè)像素條視為牌，使用洗牌算法將3n個(gè)像素條按照洗牌算法生成的lsend數(shù)組分配給r、g、b三個(gè)通道，得到一個(gè)打亂且三層的像素區(qū)域混合的三個(gè)通道的彩色圖像e；

29、將彩色圖像e旋轉(zhuǎn)90度后再按照l(shuí)send數(shù)組進(jìn)行分配，重復(fù)旋轉(zhuǎn)和分配步驟多次，得到隱藏像素信息和區(qū)域信息的三層混合的加密圖像p。

30、所述根據(jù)2d-sinsinger混沌函數(shù)生成的初始秘鑰，進(jìn)行比特?cái)U(kuò)散，包括以下步驟；

31、對(duì)于洗牌后得到的維度為m×n×3的彩色圖像p，利用密鑰組生成的{x1,y1,a}作為初始值、通過(guò)2d-sinsinger混沌函數(shù)生成與三維彩色圖像p大小相同的矩陣c1，c2，利用如下擴(kuò)散公式對(duì)彩色圖像p的每一個(gè)通道進(jìn)行擴(kuò)散：

32、

33、初始值{x1,y1}代入2d-sinsinger混沌函數(shù)得到混沌矩陣x、y；c1是混沌矩陣x變換成一維后的數(shù)組，c2是混沌矩陣y變換成一維后的數(shù)組；p(i)是待擴(kuò)散的圖像變換成一維后的數(shù)組，d(i)為擴(kuò)散后的圖像；i表示變換成一維數(shù)組后的第i個(gè)序列值；floor表示向下取整，bitxor表示異或算，mod表示取模計(jì)算。

34、對(duì)加密過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證，包括以下步驟：

35、從明文圖像的水平、垂直、對(duì)角三個(gè)方向分別選擇n對(duì)相鄰像素的像素值，作圖并利用公式計(jì)算相關(guān)度，其中，x,y是兩個(gè)輸入的向量，分別表示混沌矩陣x、y，μx是x向量的均值，μy是y的均值，σx是向量x的標(biāo)準(zhǔn)差，σy是向量y的標(biāo)準(zhǔn)差；

36、隨機(jī)選擇n個(gè)不重疊的區(qū)域t，每個(gè)區(qū)域有e個(gè)像素塊，計(jì)算每個(gè)區(qū)域ti的香農(nóng)熵，最后再取所有區(qū)域香農(nóng)熵之和的均值hn,e(t)：

37、

38、其中，n表示隨機(jī)選擇的區(qū)域塊的個(gè)數(shù)，h(ti)表示第i塊的信息熵，ti塊中有e個(gè)像素值，統(tǒng)計(jì)每個(gè)像素值出現(xiàn)的次數(shù)并除以e得到頻率估計(jì)概率p(tk)，tk代表當(dāng)前像素塊的像素值；

39、當(dāng)相關(guān)度ixy與均值hn,e(t)均符合設(shè)定范圍，則表明彩色圖像加密方法可以采用。

40、一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，所述存儲(chǔ)介質(zhì)上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，當(dāng)所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)，實(shí)現(xiàn)所述的一種基于混沌理論的跨層均勻洗牌彩色圖像加密方法。

41、本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點(diǎn)：

42、1.本發(fā)明采用一種新的混沌函數(shù)(2d-sinsinger)，該函數(shù)具有良好的遍歷性和對(duì)初始值與參數(shù)的高敏感性。

43、2.本發(fā)明基于2d-sinsinger開(kāi)發(fā)了一個(gè)針對(duì)彩色圖像加密的全新的加密算法(sinsingerie)。

44、3.為了解決單通道正確信息過(guò)多，導(dǎo)致的加密圖像易破解的問(wèn)題，本發(fā)明中的加密算法可以講三層通道之間的信息要幾乎均勻的混合在一起，這樣每個(gè)通道就不會(huì)暴露原有通道的正確信息，也不會(huì)因?yàn)榇罅空_的信息聚集在一起而暴露幾乎正確的信息。

45、4.sinsingerie具有較高的加密效率和安全性能，可以抵御差分攻擊，具有較強(qiáng)的魯棒性可以抵抗一定的數(shù)據(jù)缺失和噪聲影響。