基于雜草模型的圖像加密方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種信息加密技術(shù)，特別是設(shè)及一種圖像加密方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在政治、軍事、商業(yè)等諸多領(lǐng)域中，網(wǎng)絡(luò)信息的安全變得日益重要。近年，網(wǎng)絡(luò)安全 發(fā)展態(tài)勢呈現(xiàn)：（0計算機病毒層出不窮；（2)黑客攻擊逐年攀升；（3)系統(tǒng)存在安全漏桐； (4)各國軍方加緊信息戰(zhàn)研究。網(wǎng)絡(luò)泄密事件時有發(fā)生，對網(wǎng)絡(luò)個人的通信隱私、企業(yè)的商 業(yè)機密、國家的安全穩(wěn)定都造成了重大影響。因此，網(wǎng)絡(luò)信息安全是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中急需解決 的重要問題。
[0003] 數(shù)字圖像具有直觀、生動和形象的特征。它比聲音、文字等蘊含更多的信息量。據(jù) 屯、理學(xué)家統(tǒng)計，人類至少有70%的信息來自視覺。數(shù)字圖像已成為人們進(jìn)行交流的重要信 息載體之一。網(wǎng)絡(luò)普及使得對數(shù)字圖像的獲取、分享、處理和分散變得更加容易。有些數(shù)據(jù) 由于個人隱私、版權(quán)等安全原因，需要進(jìn)行加密傳輸。近年，圖像產(chǎn)品內(nèi)容泄密事件日益攀 升。另外，計算能力的提高，黑客攻擊能力的增強，數(shù)字圖像的復(fù)制、傳播的便捷。運都為數(shù) 字圖像的安全帶來了新的挑戰(zhàn)。因此，如何保護(hù)圖像內(nèi)容的安全已成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)領(lǐng)域 的重要挑戰(zhàn)。
[0004] 為確保圖像內(nèi)容的安全，人們已提出了許多圖像加密方法。運些方法主要包括:基 于現(xiàn)代密碼體制的圖像加密方法、基于矩陣變換的圖像加密方法、基于混濁的圖像加密方 法、基于變換域的圖像加密方法和基于DNA計算的圖像加密方法。然而，在運些方法中，有的 加密效率不高，有的安全性較弱，有的解密圖像存在一定程度的失真等缺點，難W令人滿 意。因此，在定義雜草、莊稼的概念和建立雜草模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于雜草模型的 圖像加密方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的：針對現(xiàn)有多數(shù)圖像加密方法加密效率低或安全性弱的問題，提出 一種基于雜草模型的圖像加密方法。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案:為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，采用的技術(shù)方案為基于雜草模型的 圖像加密方法，具體包括W下步驟： 步驟1:根據(jù)系統(tǒng)初始值和控制參數(shù)進(jìn)行PWLCM混濁系統(tǒng)迭代運算，獲得一個混濁序列 X; 步驟2:利用floor O取整函數(shù)對混濁序列X整數(shù)化，構(gòu)成雜草區(qū)域； 步驟3:建立雜草模型，組合雜草區(qū)域和交互圖像區(qū)域，獲得一幅新圖像B; 步驟4:根據(jù)系統(tǒng)初始值和控制參數(shù)進(jìn)行PWLCM混濁系統(tǒng)迭代運算，獲得一個混濁序列 Y; 步驟5:利用混濁序列Y，對圖像B進(jìn)行加密，獲得對應(yīng)的加密圖像C; 步驟6:發(fā)送加密圖像C給接收方。
[0007] 進(jìn)一步地，所述步驟I中，隨機選取XOe (0，I)和Pi e (0，0.5)分別作為PWLCM混濁系 統(tǒng)的初始值和控制參數(shù)，利用如下公式(1)所示的混濁系統(tǒng)通過迭代miXm次，
可產(chǎn)生一個混濁序列X=Ixi Wxnl。
[000引進(jìn)一步地，所述步驟2中，為得到X對應(yīng)的整數(shù)序列，計算： Xi'= floorbiX 化 6)，l，2，...，mXn， (2) 其中，floorO是取整函數(shù)，在該方法中稱為雜草，所有的可構(gòu)成一個雜草區(qū)域。
[0009]進(jìn)一步地，所述步驟3中，設(shè)交互圖像為Amxn,按照一定規(guī)則組合雜草區(qū)域和交互圖 像，可得到一幅新圖像Bm2Xn2。
[0010] 進(jìn)一步地，所述步驟4中，隨機選取yoE (0，1)和P2 E (0，0.5)分別作為PWLCM混濁系 統(tǒng)的初始值和控制參數(shù)，利用公式（1)所示的PWLCM混濁系統(tǒng)通過迭代msXns次，可產(chǎn)生一個 混濁序列Y={yi}m2Xn2。
[001 1 ]進(jìn)一步地，所述步驟5中，對Y= { yi，y2，…，ym2Xn2 }按元素值大小進(jìn)行升序排列，可得 一個新序列 Y' = {ykl，yk2,…，ykm2Xn2}，則下標(biāo) kl，k2，…，km2Xn2是1，2,…，m2Xn2 的一個全排 列；按照元素位置，對Bm2Xn2用阿拉伯?dāng)?shù)字1，2，…，m2 X 112進(jìn)行編碼，并按照此全排列對Bm2Xn2 進(jìn)行位置置亂，得到一幅新圖像Cm2Xn2視為該方法的加密圖像。
[001 ^ 進(jìn)一步地，所述步驟6中，加密圖像Cm2Xn2與密鑰XO，yo，Pl，P2不可一起發(fā)送；通過網(wǎng) 絡(luò)給接收方發(fā)送加密圖像Cm2Xn2;密鑰的發(fā)送則通過較為安全的信道單獨發(fā)送。
[0013] 所述解密過程為加密過程的逆過程。
[0014] 有益效果：本發(fā)明針對現(xiàn)有的圖像加密方法，有的加密效率不高，有的安全性較 弱，有的解密圖像存在一定程度的失真等缺點，難W令人滿意，提出一種基于雜草模型的圖 像加密方法。主要貢獻(xiàn)有W下3點：（1)結(jié)合數(shù)字圖像的特征，定義雜草和莊稼的概念，建立 雜草模型；（2)利用雜草模型，提出一種加密方法，實現(xiàn)對數(shù)字圖像內(nèi)容的保護(hù)；（3)提出的 新方法，計算量小，加密效率高，密鑰空間大，安全性強。
【附圖說明】
[0015] 圖1:基于雜草模型的圖像加密方法加密流程圖； 圖2:交互圖像； 圖3:雜草組合圖像； 圖4:加密圖像。
【具體實施方式】
[0016] 下面結(jié)合具體附圖和實例對本發(fā)明的實施方式進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0017] 基于雜草模型的多幅圖像加密方法加密流程圖，如圖1所示。
[0018] 采用的編程軟件為Matlab 7.0,選取圖2所示的大小為512X 512的"Lenna"灰色圖 像為實驗對象。采用基于雜草模型的圖像加密方法，對交互圖像加密的具體過程如下： 1. Alice隨機選取XQ=O. 28153489126924和Pi=O.44537834013456分別作為PWLCM混 濁系統(tǒng)的初始值和控制參數(shù)，利用公式(1)所示的混濁系統(tǒng)通過迭代200X512次，可產(chǎn)生一 個混濁序列X={xi}200X512。
[0019] 2.為得到X對應(yīng)的整數(shù)序列，利用公式（2)計算可得雜草數(shù)據(jù)，所有的可構(gòu) 成一個雜草區(qū)域。
[0020] 3.設(shè)交互圖像"Lenna"為A日12X日12,視為莊稼區(qū)域。按照在莊稼區(qū)域的下方增添一 塊雜草區(qū)域的規(guī)則組合雜草區(qū)域和交互圖像，可得到新的圖像B712X512,如圖3所示。
[0021] 4.隨機選取y〇=0.46567899:345427和P2=0.13184640452142分別作為PWLCM混濁系 統(tǒng)的初始值和控制參數(shù)，利用公式（1)所示的PWLCM混濁通過迭代712X512次，可產(chǎn)生一個 混濁序列 Y={yi}712X512。
[0022] 5.對Y={yi，y2,…，y?i2x日12}按元素值大小進(jìn)行升序排列，可得一個新序列Y^ = {ykl，yk2，???，yk7l2x5l2}，貝lJ下標(biāo)kl，k2，???，k7l2x5l2是l，2，???，712X512的一個全排列。按照元 素位置，對B712X日12用阿拉伯?dāng)?shù)字1，2，…，712 X 512進(jìn)行編碼，并按照此對B712X日12進(jìn)行位置置 亂，得到一幅新圖像C712X512視為該方法的加密圖像，如圖4所示。
[002引 6.發(fā)送加密圖像C712X日12給接收方。
[0024]上述實例中，接收方在已知密鑰的情況下，進(jìn)行上述加密過程的逆操作，即可實現(xiàn) 對加密圖像的解密，從而獲得原始交互圖像。
【主權(quán)項】
1. 基于雜草模型的圖像加密方法，其特征在于，具體包括w下步驟： 步驟1:根據(jù)系統(tǒng)初始值和控制參數(shù)進(jìn)行PWLCM混濁系統(tǒng)迭代運算，獲得一個混濁序列 X; 步驟2:利用floor ()取整函數(shù)對混濁序列X整數(shù)化，構(gòu)成雜草區(qū)域； 步驟3:建立雜草模型，組合雜草區(qū)域和交互圖像區(qū)域，獲得一幅新圖像B; 步驟4:根據(jù)系統(tǒng)初始值和控制參數(shù)進(jìn)行PWLCM混濁系統(tǒng)迭代運算，獲得一個混濁序列 Y; 步驟5:利用混濁序列Y，對圖像B進(jìn)行加密，獲得對應(yīng)的加密圖像C; 步驟6:發(fā)送加密圖像C給接收方。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雜草模型的圖像加密方法，其特征在于，所述步驟1中的 PWLCM混濁系統(tǒng)迭代是指：隨機選取X0 e (0，1)和P1 e (0，0.5)分別作為PWLCM混濁系統(tǒng)的初 始值和控制參數(shù)，利用如下公式(1)所示的混濁系統(tǒng)通過迭代miXm次，(1) 可產(chǎn)生一個混濁序列X={xi}mlXnl。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雜草模型的圖像加密方法，其特征在于，所述步驟2中的 整數(shù)化是指:為得到X對應(yīng)的整數(shù)序列，計算： Xi'= f loo;r(Xi X 256)，1，2,...，mXn， (2) 其中，floorO是取整函數(shù)，在該方法中稱為雜草，所有的可構(gòu)成一個雜草區(qū)域。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雜草模型的圖像加密方法，其特征在于，所述步驟3中的 建立雜草模型是指:設(shè)交互圖像為Amxn，按照一定規(guī)則組合雜草區(qū)域和交互圖像，可得到一 幅新圖像Bm2Xn2。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雜草模型的圖像加密方法，其特征在于，所述步驟4中的 PWLCM混濁系統(tǒng)迭代是指：隨機選取yo e (0，1)和化e (0，0.5)分別作為PWLCM混濁系統(tǒng)的初 始值和控制參數(shù)，利用公式（1)所示的PWLCM混濁系統(tǒng)通過迭代m2 X Π 2次，可產(chǎn)生一個混濁序 列 Y={yi)m2Xn2。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雜草模型的圖像加密方法，其特征在于，所述步驟5中的 對圖像B進(jìn)行加密是指:對Y={yi，y2，-'，ym2Xn2}按元素值大小進(jìn)行升序排列，可得一個新序 列Y'={ykl，yk2,…，ykm2Xn2}，則下標(biāo)kl，k2，…，km2Xn2是1，2,…，Π?2Χη2的一個全排列；按照元 素位置，對Bm2Xn2用阿拉伯?dāng)?shù)字1，2，…，m2 X Π 2進(jìn)行編碼，并按照此全排列對Bm2Xn2進(jìn)行位置 置亂，得到一幅新圖像Cm2Xn2視為該方法的加密圖像。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雜草模型的圖像加密方法，其特征在于，所述步驟6中的 發(fā)送是指：加密圖像Cm2Xn2與密鑰義日，7日，口1，化不可一起發(fā)送;通過網(wǎng)絡(luò)給接收方發(fā)送加密圖 像Cm2Xn2;密鑰的發(fā)送則通過較為安全的信道單獨發(fā)送。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雜草模型的圖像加密方法，其特征在于，解密過程是加密 過程的逆過程。
【專利摘要】一種基于雜草模型的圖像加密方法，屬于信息加密領(lǐng)域。圖像產(chǎn)品內(nèi)容泄密事件日益攀升，計算能力的提高，黑客攻擊能力的增強，數(shù)字圖像的復(fù)制、傳播的便捷，這都為數(shù)字圖像的安全帶來了新的挑戰(zhàn)。目前很多圖像加密方法或是安全性不高，或是效率低，難以令人滿意。本發(fā)明將交互圖像像素視為禾苗，將向交互圖像中添加的像素視為雜草，通過一定規(guī)則向交互圖像中添加像素，來達(dá)到隱藏交互圖像信息的目的，從而實現(xiàn)對圖像內(nèi)容的保護(hù)。主要創(chuàng)新內(nèi)容為：結(jié)合數(shù)字圖像特點，定義雜草、莊稼等概念，建立了雜草模型；并基于雜草模型，設(shè)計了一種新圖像加密方法。實驗結(jié)果表明：該方法易于實現(xiàn)，加密效果良好，可保證圖像在網(wǎng)絡(luò)平臺下安全可靠地傳輸。
【IPC分類】H04N1/32
【公開號】CN105554343
【申請?zhí)枴緾N201510881046
【發(fā)明人】張曉強, 張慶, 王雪松
【申請人】中國礦業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年5月4日
【申請日】2015年12月7日