基于混合圖元的多幅圖像加密方法
【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、軍事和商業(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(shì)呈現(xiàn):（1)計(jì)算機(jī)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(shí)有發(fā)生，對(duì)網(wǎng)絡(luò)個(gè)人的通信隱私、企業(yè)的商 業(yè)機(jī)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] 在軍事發(fā)現(xiàn)、自然災(zāi)害監(jiān)控、交通監(jiān)控、天氣預(yù)報(bào)、電子政務(wù)和個(gè)人事務(wù)等諸多領(lǐng) 域中，每天都會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)字圖像。同時(shí)，各種拍攝設(shè)備的不斷涌現(xiàn)也加速了大數(shù)據(jù)時(shí)代 的到來。如一部單反相機(jī)每秒能拍攝幾張照片，一個(gè)交通監(jiān)控?cái)z像頭每天能拍攝數(shù)千張圖 像。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，數(shù)字圖像往往會(huì)攜帶許多秘密信息。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，人們已提出了許多單幅圖像加密方法。運(yùn)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、基于混濁理論的圖 像加密方法、基于變換域的圖像加密方法和基于DNA計(jì)算的圖像加密方法。在大數(shù)據(jù)時(shí)代， 盡管可用重復(fù)執(zhí)行現(xiàn)有單幅圖像加密方法的手段來保護(hù)多幅圖像內(nèi)容的安全，但是加密效 率往往較低。因此，設(shè)計(jì)了一種多幅圖像加密方法，在保證多幅圖像內(nèi)容安全的同時(shí)，可有 效地提高加密效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的：針對(duì)現(xiàn)有多數(shù)單幅圖像加密方法加密多幅圖像時(shí)效率低的問題， 提出一種基于混合圖元的多幅圖像加密方法。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，采用的技術(shù)方案為基于混合圖元的多 幅圖像加密方法，具體包括W下步驟： 步驟1:分害化幅交互圖像li，I2,…，Ik成為小的圖像塊議稱為圖元）； 步驟2:對(duì)k個(gè)圖元集的所有圖元進(jìn)行編碼； 步驟3: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(yùn)算，獲得兩個(gè)混濁序列X 和Y; 步驟4:利用混濁序列X，置亂所有圖元，得到一個(gè)混合圖元集； 步驟5:利用floorO取整函數(shù)對(duì)混濁序列Y整數(shù)化，獲得整數(shù)序列Y>; 步驟6:對(duì)混合圖元進(jìn)行重組，得到k幅加密圖像，并用中的元素作為k幅加密圖像的 文件名； 步驟7:發(fā)送k幅加密圖像給接收方。
[0007] 進(jìn)一步地，所述步驟1中，為加密k幅m X n同等大小的交互圖像，即11，I2，…，Ik，將k 幅交互圖像都分割為mi Xni同等大小的圖元，要求m能被虹整除，n能被ni整除，令r= m/mi，S= n/m，k幅交互圖像可產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的k個(gè)圖元集。
[000引進(jìn)一步地，所述步驟2中，用阿拉伯?dāng)?shù)字1，2,…，kXrX S依次對(duì)k個(gè)圖元集的所有 共k X r X S個(gè)圖元進(jìn)行編碼。
[0009] 進(jìn)一步地，所述步驟3中，隨機(jī)選取XOe (0，1)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kXrXs次，可產(chǎn)生一 個(gè)混濁序列X={xi}kXrXs，
類似地，隨機(jī)選取y〇e(〇，l)和化￡(〇,〇.5)，可產(chǎn)生另外一個(gè)混濁序列￥=^1^。
[0010] 進(jìn)一步地，所述步驟4中，對(duì)X按照元素值大小進(jìn)行升序排列，可得到一個(gè)新混濁序 列X' = {xi' }kXrXs = {xtl，Xt2,…，Xtkrs}，下標(biāo) tl，t2,…，tkXrXs是序列1，2,…，kXr X S的一個(gè)全 排列；按照此全排列對(duì)k X r X S個(gè)圖元的編碼進(jìn)行位置置亂，得到一個(gè)混合圖元集。
[0011] 進(jìn)一步地，所述步驟5中，假設(shè)計(jì)算機(jī)的精度為1〇-14,計(jì)算 yi'=floo;r(yiX 1〇14)，i=l，2，...，k， (2) 可得到一個(gè)整數(shù)序列Y \
[0012] 進(jìn)一步地，所述步驟6中，按照置亂后的混合圖元順序，每r X S幅混合圖元重組成 一幅圖像，共可重組成k幅mXn同等大小的圖像，即I ei，l e2,…，I ek，視為該方法的加密圖 像，并用中的元素分別作為運(yùn)k幅圖像的文件名。
[001引進(jìn)一步地，所述步驟7中，k幅加密圖像與密鑰XO，yo，Pi，P2不可一起發(fā)送;通過網(wǎng)絡(luò) 給接收方發(fā)送k幅加密圖像I 6i，I …，I Bk;密鑰的發(fā)送則通過較為安全的信道單獨(dú)發(fā)送。
[0014] 所述解密過程為加密過程的逆過程。
[0015] 有益效果：本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有多數(shù)單幅圖像加密方法加密多幅圖像時(shí)效率低的問 題，難W適應(yīng)批量圖像加密的難點(diǎn)，提出一種基于混合圖元的多幅圖像加密方法。主要貢獻(xiàn) 有W下3點(diǎn)：（I)W多幅圖像為加密對(duì)象，通過將多幅圖像分割為圖元，對(duì)圖元置亂得到混合 圖元，最后重組混合圖元得到加密圖像的思想，實(shí)現(xiàn)對(duì)多幅圖像內(nèi)容的保護(hù)；（2) W混合圖 元的方式對(duì)多幅圖像進(jìn)行批量加密，計(jì)算量小，提高了加密效率;（3)該方法依賴混濁理論， 采用混濁序列僅對(duì)圖元進(jìn)行置亂，密鑰敏感性強(qiáng)，密鑰空間大，安全性高。
【附圖說明】
[0016] 圖1:基于混合圖元的多幅圖像加密方法加密流程圖； 圖2:交互圖像； 圖3:圖元集； 圖4:加密圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面結(jié)合具體附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步的說明。
[0018] 基于混合圖元的多幅圖像加密方法加密流程圖，如圖1所示。
[0019] 采用的編程軟件為Matlab 7.0,選取圖2所示的9幅均為512 X512大小的灰色圖像 作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。采用基于混合圖元的多幅圖像加密方法，對(duì)9幅交互圖像進(jìn)行加密的具體過 程如下： 1.為加密9幅512X512同等大小的交互圖像，即li，I2,…，I9,發(fā)送方將運(yùn)9幅交互圖 像都分割32X32同等大小的圖元，令r=16，s=16,則運(yùn)9幅交互圖像可產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的9個(gè)圖元 集，如圖3所不。
[0020] 2.用阿拉伯?dāng)?shù)字1，2,…，9X 16X 16依次對(duì)9X 16X 16=2304幅圖元進(jìn)行編碼。
[0021] 3.隨機(jī)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)所示混濁系統(tǒng)通過迭代2304次，可產(chǎn)生一個(gè)混濁序列 X={xi}23〇4。類似地，隨機(jī)選取 yo=0.46567899345427 和 p2=0.13184640452142，可產(chǎn)生另外一 個(gè)混濁序列Y={yi}9。x日，y日，pl和p2視為該方法的密鑰。
[0022] 4.對(duì)X按照元素值大小進(jìn)行升序排列，可得到一個(gè)新混濁序列Xf = {xiM23〇4={xti， Xt2,…，Xt2304}。因此，下標(biāo)tl，t2，…，t2304是1，2，…，2304的一個(gè)全排列。按照此全排列對(duì) 2304幅圖元進(jìn)行位置置亂，得到一個(gè)混合圖元集。
[0023] 5.針對(duì)混濁序列Y，利用公式(2)，可得到一個(gè)整數(shù)序列
[0024] 6.按照置亂后的混合圖元順序，對(duì)每256幅混合圖元重組成一幅圖像，共可重組 成9幅512X512同等大小的圖像，即I ei，l …J e9,視為該方法的加密圖像，如圖4所示。
[002引 7.通過網(wǎng)絡(luò)給接收方發(fā)送運(yùn)9幅加密圖像I 6i，I …，I 69;通過較安全信道給 接收方單獨(dú)發(fā)送密鑰XO，yo，Pi和P2。
[0026]上述實(shí)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過程，即可 實(shí)現(xiàn)對(duì)加密圖像的解密，從而獲得9幅原始交互圖像。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于混合圖元的多幅圖像加密方法，其特征在于，具體包括W下步驟： 步驟1:分害化幅交互圖像II，I2，…，Ik成為小的圖像塊(又稱為圖元）； 步驟2:對(duì)k個(gè)圖元集的所有圖元進(jìn)行編碼； 步驟3: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(yùn)算，獲得兩個(gè)混濁序列X 和Y; 步驟4:利用混濁序列X，置亂所有圖元，得到一個(gè)混合圖元集； 步驟5:利用floor()取整函數(shù)對(duì)混濁序列Y整數(shù)化，獲得整數(shù)序列Y>; 步驟6:對(duì)混合圖元進(jìn)行重組，得到k幅加密圖像，并用中的元素作為k幅加密圖像的 文件名； 步驟7:發(fā)送k幅加密圖像給接收方。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于混合圖元的多幅圖像加密方法，其特征在于，所述步驟1 中的分割是指:為加密k幅mXn同等大小的交互圖像，即11，12，一，1'^鈍幅交互圖像都分割 為mi Xni同等大小的圖元，要求m能被mi整除，η能被m整除，令r= m/mi，s= n/ni，k幅交互圖 像可產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的k個(gè)圖元集。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于混合圖元的多幅圖像加密方法，其特征在于，所述步驟2 中的編碼是指:用阿拉伯?dāng)?shù)字1，2，…，k X r X S依次對(duì)k個(gè)圖元集的所有共k X r X S個(gè)圖元進(jìn) 行編碼。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于混合圖元的多幅圖像加密方法，其特征在于，所述步驟3 中的PWLCM混濁系統(tǒng)迭代是指：隨機(jī)選取(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kXrXs次，可產(chǎn)生一個(gè) 混濁序列X=|xi}kXrXs，(1) 類似地，隨機(jī)選取y〇e(〇，l)和化￡(0,0.5)，可產(chǎn)生另外一個(gè)混濁序列￥=^^1"5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于混合圖元的多幅圖像加密方法，其特征在于，所述步驟4 中的置亂所有圖元是指：對(duì)X按照元素值大小進(jìn)行升序排列，可得到一個(gè)新混濁序列Χ> = {Xi' }kXrXs={xtl，Xt2, ...，Xtkrs}，下標(biāo) tl，t2，...，tkXrXs 是序列1，2, ...，kXr XS 的一個(gè)全排列； 按照此全排列對(duì)kXrXs個(gè)圖元的編碼進(jìn)行位置置亂，得到一個(gè)混合圖元集。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于混合圖元的多幅圖像加密方法，其特征在于，所述步驟5 中的整數(shù)化是指:假設(shè)計(jì)算機(jī)的精度為10-?4，計(jì)算 yi'=f looHyi X 1〇14)，i=l，2,...，k， (2) 可得到一個(gè)整數(shù)序列γ>。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于混合圖元的多幅圖像加密方法，其特征在于，所述步驟6 中的對(duì)混合圖元進(jìn)行重組是指：按照置亂后的混合圖元順序，每rXs幅混合圖元重組成一 幅圖像，共可重組成k幅mXn同等大小的圖像，即I ei，l e2,…，I ek，視為該方法的加密圖像， 并用中的元素分別作為運(yùn)k幅圖像的文件名。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于混合圖元的多幅圖像加密方法，其特征在于，所述步驟7 中的發(fā)送是指:k幅加密圖像與密鑰^，7〇,91，92不可一起發(fā)送;通過網(wǎng)絡(luò)給接收方發(fā)送4幅 加密圖像I 6i，I 62，···，? 6k;密鑰的發(fā)送則通過較為安全的信道單獨(dú)發(fā)送。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于混合圖元的多幅圖像加密方法，其特征在于，解密過程為 加密過程的逆過程。
【專利摘要】一種基于混合圖元的多幅圖像加密方法，屬于信息加密領(lǐng)域?，F(xiàn)存圖像加密方法大多是以單幅圖像為加密對(duì)象，難以適用于大批量圖像加密的情形，且加密效率較低。區(qū)別于傳統(tǒng)的圖像加密方法，本發(fā)明以多幅圖像為加密對(duì)象，通過將多幅圖像分割為圖元，對(duì)圖元置亂得到混合圖元，最后重組混合圖元得到加密圖像的思想，實(shí)現(xiàn)對(duì)多幅圖像內(nèi)容的保護(hù)。核心步驟：將<i>k</i>幅交互圖像分割成圖元集；利用混沌序列置亂圖元，得到混合圖元；對(duì)混合圖元進(jìn)行組合，得到<i>k</i>幅加密圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方法易于實(shí)現(xiàn)，加密效果良好，加密效率和安全性高，可同時(shí)保護(hù)任意多幅圖像內(nèi)容的通信安全。
【IPC分類】H04N1/32
【公開號(hào)】CN105554344
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510881125
【發(fā)明人】張曉強(qiáng), 王雪松, 程玉虎
【申請(qǐng)人】中國礦業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年5月4日
【申請(qǐng)日】2015年12月7日