基于混合域和LSS型耦合映像格子的彩色图像加密方法技术

本发明专利技术属于信息安全技术领域，尤其涉及基于混合域和LSS型耦合映像格子的彩色图像加密方法。所述方法包括：输入彩色明文图像，分离明文图像的红、绿、蓝三基色分量，得到对应三个矩阵，结合密钥产生LSS型耦合映像格子的参数和初始值，利用LSS型耦合映像格子产生密钥流；分别对三个矩阵进行二维离散小波变换，得到三组子带；保持高低频子带不变，利用密钥流对其余子带进行置乱，将置乱后子带进行缩小；交换缩小后的各子带的内容；对三组子带做二维离散小波逆变换，得到三个加密分量；对三个加密分量做分块处理，并利用密钥流和对分块后矩阵进行位级扩散操作，得到密文图像。本发明专利技术能够有效抵抗统计攻击、已知和选择明文攻击、选择密文攻击。

【技术实现步骤摘要】
基于混合域和LSS型耦合映像格子的彩色图像加密方法
本专利技术属于信息安全
，尤其涉及基于混合域和LSS型耦合映像格子的彩色图像加密方法。
技术介绍
随着计算机网络的快速发展，数字图像因其特有的直观、形象、信息量丰富等特点而倍受青睐，在日常生活中用网络进行数字图像传输已经变得非常普遍。然而，由于网络的开放性和自身协议中存在的某些缺陷，数字图像在网络上传输的安全问题已经成为信息安全领域的一个重要研究课题。相对于文本数据，数字图像有数据量大、冗余度高、相邻像素相关性强等特点。因此，传统的诸如DES、AES、RSA等加密方法普遍存在着加密效率低、安全性弱等问题，并不适合数字图像的加密。近年来，基于混沌理论的数字图像加密技术引起了人们的广泛关注和深入研究。基于混沌理论的图像加密算法主要分为像素位置置乱和像素值扰乱两个过程。因简单置乱不能改变原始图像像素值的分布规律，所以不能有效抵抗统计攻击，而只进行扰乱，不进行像素位置置乱，则很难抵抗剪切攻击。所以，很多学者在加密过程中将两者结合起来使用，以达到更高的安全性。高维混沌系统由于具有密钥空间大、对初值敏感性高和混沌特性更加复杂等优点，因此被广泛应用于图像加密中。二维离散小波变换作为现代频谱分析工具，经常被用于图像加密，它既能考察局部时域过程的频域特征，又能考察局部频域特征的时域特征，因此即使对于非平稳过程，处理起来也得心应手。它能将图像变换为一系列小波系数，这些系数可以被高效压缩和存储。此外，二维离散小波变换的粗略边缘还可以更好地表现图像。因此，有必要研究基于二维离散小波变换的彩色图像无损加密方法。为克服现有的基于二维离散小波变换编码的图像加密算法存在的问题，结合混沌密码学理论和图像处理的相关知识，本专利技术提出基于混合域和LSS型耦合映像格子的彩色图像加密算法，该算法安全性高，加密效果好，能够有效抵抗统计攻击、已知和选择明文攻击、选择密文攻击等。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有的基于二维离散小波变换编码的图像加密算法存在的问题，提供了基于混合域和LSS型耦合映像格子的彩色图像加密方法，能够有效抵抗统计攻击、已知和选择明文攻击、选择密文攻击等。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：基于混合域和LSS型耦合映像格子的彩色图像加密方法，包括如下步骤：步骤1：输入大小为M×N×3的彩色明文图像I0，分离明文图像I0的红、绿、蓝三基色分量，得到三个大小为M×N的矩阵R0、G0、B0，结合密钥产生LSS型耦合映像格子的参数和初始值，所述密钥包括α、β、xt(0)(t＝1,2,3，4)，其中α、β为耦合强度，xt(0)(t＝1,2,3，4)为系统初始值；利用LSS型耦合映像格子产生密钥流L1、L2、L3、K1、K2；步骤2：分别对矩阵R0、G0、B0进行二维离散小波变换，得到三组大小为M1×N1的子带，即低频子带cAθ、低高频子带cHθ、高低频子带cVθ、高频子带cDθ，θ＝R,G,B；步骤3：保持高低频子带cVθ不变，利用密钥流L1、L2、L3对所述步骤2中其余子带进行置乱，得到置乱后的子带将所有子带分别缩小-M1×N1倍，得到缩小后的子带cA′θ，cH′θ，cV′θ，cD′θ；步骤4：交换缩小后的各子带的内容，即对每组子带分别做二维离散小波逆变换，得到三个加密分量R1、G1和B1；步骤5：对R1、G1、B1分别做分块处理，并利用密钥流K1和K2对分块后的矩阵进行位级扩散操作，得到最终的密文图像C。优选地，所述LSS型耦合映像格子的描述如下：xn+1(i)＝(1-α)f(xn(i))+αf(xn(i-1))(1)其中，f(xn+1)＝[βf(xn)(1-f(xn))+(4-β)sin(πf(xn))/4]mod1，n为离散时间步数，i为离散格子坐标，α∈(0,1)，β∈(0,4]。优选地，所述步骤1包括：步骤1.1：输入大小为M×N×3的彩色明文图像I0，分离明文图像I0的红、绿、蓝三基色分量，得到三个大小为M×N的矩阵R0、G0、B0；步骤1.2：根据矩阵R0、G0、B0，得到明文图像像素和SV1，SV1按如下公式进行计算：将密钥α、β、xt(0)(t＝1,2,3，4)和SV1作为SHA-512哈希函数的输入参数，产生64个8位长的会话密钥γi(i＝1,2,…,64)；利用会话密钥按照如下公式更新LSS型耦合映像格子的参数和初始值：α′＝α0-tp1+tp2(10)β′＝β0+(tp3+tp4)/2(11)x′1(0)＝(x1(0)+tp4)mod1(12)x′2(0)＝(x2(0)+tp5)mod1(13)x′3(0)＝(x3(0)+tp6)mod1(14)x′4(0)＝(x4(0)+tp7)mod1(15)其中，tp1、tp2、tp3、tp4、tp5、tp6、tp7均为临时变量，mod为模运算符号，为按位异或运算符号，α0为α的初始值，β0为β的初始值，α′、β′为LSS型耦合映像格子更新后的参数，x′t(0)(t＝1,2,3,4)为LSS型耦合映像格子更新后的初始值；步骤1.3：利用所述参数α′、β′及所述初始值x′t(0)(t＝1,2,3,4)，迭代变形耦合映像格子MN+l次，并抛弃前l个值，l≥1000，得到长度为MN的四组混沌序列X,Y,Z,W；步骤1.4：对序列X,Y,Z,W做如下的改进，得出密钥流L1、L2、L3、K1、K2：S′(i)＝1013×S(i)-fix(1013×S(i))，(S＝X,Y,Z,W；i＝1,2,…,MN)(16)SK1＝{X′(1),X′(2),…,X′(MN/4)}(17)SK2＝{Y′(2MN/4+1),Y′(2MN/4+2),…,Y′(3MN/4)}(18)SK3＝{Z′(MN/4+1),Z′2(MN/4+2),…,Z′(2MN/4)}(19)SK4＝{W′(1),W′(2),…,W′(MN/16)}(20)[V1,L1]＝sort(SK1)(21)[V2,L2]＝sort(SK2)(22)[V3,L3]＝sort(SK3)(23)K1(i,j)＝mod(fix(abs(W′(i,j)×1012)),256)(24)K2(k)＝mod(fix(abs(SK4(k)×1014)),256)(25)其中，S′(i)、SK1、SK2、SK3、SK4均为临时变量，i＝1,2,…,MN，j＝1,2,…,MN，k＝1,2,…,MN/16；fix(.)为取整函数，mod(·,·)为取余函数，abs(·)为取绝对值函数，sort(.)为排序函数。优选地，所述对矩阵R0、G0、B0进行二维离散小波变换，按照如下公式进行：[cARcHRcVRcDR]＝dwt2(R0,'Haar')(26)[cAGcHGcVGcDG]＝dwt2(G0,'Haar')(27)[cABcHBcVBcDB]＝dwt2(B0,'Haar')(28)优选地，所述对每组子带分别做二维离散小波逆变换，按照如下公式进行：R1＝idwt2(cA′R,cH′R,cV′R,cD′R,'Haar')(29)G1＝idwt2(cA′G,cH′G,cV′G,cD′G,'Haar')(30)B1＝idwt2(cA′B,cH′B,cV′B,cD′B,'Haar')(31本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于混合域和LSS型耦合映像格子的彩色图像加密方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：输入大小为M×N×3的彩色明文图像I0，分离明文图像I0的红、绿、蓝三基色分量，得到三个大小为M×N的矩阵R0、G0、B0，结合密钥产生LSS型耦合映像格子的参数和初始值，所述密钥包括α、β、xt(0)(t＝1,2,3，4)，其中α、β为耦合强度，xt(0)(t＝1,2,3，4)为系统初始值；利用LSS型耦合映像格子产生密钥流L1、L2、L3、K1、K2；步骤2：分别对矩阵R0、G0、B0进行二维离散小波变换，得到三组大小为M1×N1的子带，即低频子带cAθ、低高频子带cHθ、高低频子带cVθ、高频子带cDθ，θ＝R,G,B；步骤3：保持高低频子带cVθ不变，利用密钥流L1、L2、L3对所述步骤2中其余子带进行置乱，得到置乱后的子带

【技术特征摘要】
1.基于混合域和LSS型耦合映像格子的彩色图像加密方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：输入大小为M×N×3的彩色明文图像I0，分离明文图像I0的红、绿、蓝三基色分量，得到三个大小为M×N的矩阵R0、G0、B0，结合密钥产生LSS型耦合映像格子的参数和初始值，所述密钥包括α、β、xt(0)(t＝1,2,3，4)，其中α、β为耦合强度，xt(0)(t＝1,2,3，4)为系统初始值；利用LSS型耦合映像格子产生密钥流L1、L2、L3、K1、K2；步骤2：分别对矩阵R0、G0、B0进行二维离散小波变换，得到三组大小为M1×N1的子带，即低频子带cAθ、低高频子带cHθ、高低频子带cVθ、高频子带cDθ，θ＝R,G,B；步骤3：保持高低频子带cVθ不变，利用密钥流L1、L2、L3对所述步骤2中其余子带进行置乱，得到置乱后的子带将所有子带分别缩小-M1×N1倍，得到缩小后的子带cA′θ，cH′θ，cV′θ，cD′θ；步骤4：交换缩小后的各子带的内容，即对每组子带分别做二维离散小波逆变换，得到三个加密分量R1、G1和B1；步骤5：对R1、G1、B1分别做分块处理，并利用密钥流K1和K2对分块后的矩阵进行位级扩散操作，得到最终的密文图像C。2.根据权利要求1所述的基于混合域和LSS型耦合映像格子的彩色图像加密方法，其特征在于，所述LSS型耦合映像格子的描述如下：xn+1(i)＝(1-α)f(xn(i))+αf(xn(i-1))(1)其中，f(xn+1)＝[βf(xn)(1-f(xn))+(4-β)sin(πf(xn))/4]mod1，n为离散时间步数，i为离散格子坐标，α∈(0,1)，β∈(0,4]。3.根据权利要求1所述的基于混合域和LSS型耦合映像格子的彩色图像加密方法，其特征在于，所述步骤1包括：步骤1.1：输入大小为M×N×3的彩色明文图像I0，分离明文图像I0的红、绿、蓝三基色分量，得到三个大小为M×N的矩阵R0、G0、B0；步骤1.2：根据矩阵R0、G0、B0，得到明文图像像素和SV1，SV1按如下公式进行计算：将密钥α、β、xt(0)(t＝1,2,3，4)和SV1作为SHA-512哈希函数的输入参数，产生64个8位长的会话密钥γi(i＝1,2,…,64)；利用会话密钥按照如下公式更新LSS型耦合映像格子的参数和初始值：α′＝α0-tp1+tp2(10)β′＝β0+(tp3+tp4)/2(11)x′1(0)＝(x1(0)+tp4)mod1(12)x′2(0)＝(x2(0)+tp5)mod1(13)x′3(0)＝(x3(0)+tp6)mod1(14)x′4(0)＝(x4(0)+tp7)mod1(15)其中，tp1、tp2、tp3、tp4、tp5、tp6、tp7均为临时变量，mod为模运算符号，为按位异或运算符号；α0为α的初始值，β0为β的初始值，α′、β′为LSS型耦合映像格子更新后的...

【专利技术属性】
技术研发人员：武相军，游大涛，王金科，李海平，刘颜红，任广龙，文小爽，张芳君，朱凯歌，
申请(专利权)人：河南大学，
类型：发明
国别省市：河南,41