基于三维置乱模型和混沌的图像加密方法技术

一种基于三维置乱模型和混沌的图像加密方法，属于信息加密领域。目前，多媒体通信技术的快速发展，如何保护图像内容的安全引起了工业界和学术界的共同关注。本发明专利技术提出一种基于三维置乱模型和混沌的图像加密方法。受魔方游戏的启发，在定义行置乱，列置乱和位面置乱的基础上，建立了图像的三维置乱模型。首先，利用三维置乱模型对原始图像进行像素置乱；然后，利用混沌，对置乱结果进行异或（exclusive OR，XOR）运算，产生加密图像。实验表明：该算法加密效果良好，密钥空间大，密钥敏感性强，安全性高，高效。

【技术实现步骤摘要】
基于三维置乱模型和混沌的图像加密方法
本专利技术涉及一种信息加密技术，特别是涉及一种图像加密方法。
技术介绍
在军事系统、电子政务、金融系统以及日常生活等领域，每天都会产生大量的图像。为保护这些图像信息内容不被窃取，图像加密技术引起了学术界和工业界的广泛关注。研究者已提出多种图像加密方法。然而，这些方法有的已被破译，有的安全性弱，有的效率低等问题，难以令人满意。受魔方游戏的启发，在定义行置乱，列置乱和位面置乱的基础上，建立了图像的三维置乱模型。为提高图像加密的安全性和效率，保证图像的安全高效传输，利用混沌理论和三维置乱模型，设计了一种基于三维置乱模型和混沌的图像加密方法。该方法利用了三维置乱模型良好的置乱效果，以及混沌良好的随机性和复杂性，有效地保护了图像网络传输和存储的安全性。
技术实现思路
本专利技术的目的：针对现有图像加密方法安全性弱或加密效率低等问题，提出一种基于三维置乱模型和混沌的图像加密方法。本专利技术的技术方案：为实现上述专利技术目的，采用的技术方案为基于三维置乱模型和混沌的图像加密方法，令发送方为Alice，接收方为Bob，Alice的加密步骤详述如下：步骤1：混沌序列产生：令原始图像I，其大小为m×n；随机选取分段线性混沌映射（Piece-WiseLinearChaoticMap，PWLCM）的初始值z01和参数p1；Alice迭代该映射m次，可获得一个混沌序列Z1={zi1}m，并计算：ri1=mod(floor(zi1×1016),m)，（1）其中，zi1∈Z1，R1={ri1}m，floor()是取整函数；类似地，她随机选取另外一个PWLCM映射的初始值z02和参数p2，迭代该映射n次，可获得一个混沌序列Z2={zi2}n，并计算：ri2=mod(floor(zi2×1016),n)，（2）其中，zi2∈Z2，R2={ri2}n；步骤2：混沌矩阵产生：随机选取二维Logistic映射的初始值x0,y0和控制参数r1,r2,s1,s2，Alice迭代该映射m×n次，可得2个混沌序列X={xi}mn和Y={yi}mn，并计算：ci1=mod(floor(xi×1016),8)，（3）ci2=mod(floor(yi×1016),256)，（4）其中，xi∈X，yi∈Y；依据元素位置，Alice将混沌序列{ci1}mn转换成一个大小为m×n的混沌矩阵C1；类似地，她也将混沌序列{ci2}mn转换成一个大小为m×n的混沌矩阵C2；步骤3：三维置乱模型置乱：Alice利用混沌序列R1，对原始图像I执行行置乱，可得置乱结果Ir；Alice利用混沌序列R2，对Ir执行列置乱，可得置乱结果Ic；Alice利用混沌序列C1，对Ic执行位面置乱，可得置乱结果Ie；步骤4：图像扩散：利用混沌矩阵C2，对Ie进行图像扩散操作，可得加密图像J。进一步地，所述步骤1中，PWLCM方程为：，（5）其中，控制参数p∈(0,0.5)。进一步地，所述步骤2中，二维Logistic映射为：，（6）其中，控制参数r1∈(2.75,3.4]，r2∈(2.75,3.45]，s1∈(0.15,0.21]和s2∈(0.13,0.15]。进一步地，所述步骤3中，行置乱指：每次仅对一行像素位置进行向左或向右循环移位置乱操作，即对原始图像I的第i行像素，i=1,2,…,m，执行ri∈R1次向右循环移位。进一步地，所述步骤3中，列置乱指：每次仅对一列像素位置进行向上或向下循环移位置乱操作，即对行置乱结果图像Ir的第j列像素，j=1,2,…,n，执行rj∈R2次向上循环移位。进一步地，所述步骤3中，位面置乱指：灰色图像的每个像素值可用8个bit位来表示，所有像素相同位值的bit位0或1可构成一个位平面矩阵，简称位面，那么一幅灰色图像共有8个位面，置乱操作在这8个位面之间进行，且每次仅对8个位面相同位置的bit位值进行向前或向后循环移位置乱操作，即对列置乱结果图像Ic的第i行第j列像素Iij1c，i=1,2,…,m，j=1,2,…,n，执行cij∈C1次向前循环移位。进一步地，所述步骤4中，图像扩散操作为：J=Ie⊕C2，（7）其中，⊕为异或运算。在解密过程中，利用相同的混沌序列和混沌矩阵对加密图像J进行解密，可得原始图像I；Bob的解密过程是Alice加密的逆过程。有益效果：本专利技术针对现有的图像加密方法安全性差或加密效率低等缺点，提出了一种基于三维置乱模型和混沌的图像加密方法。主要贡献有：（1）受魔方游戏的启发，在定义行置乱，列置乱和位面置乱的基础上，建立了图像的三维置乱模型；（2）该方法利用了三维置乱模型良好的置乱效果，有效地提高了加密方法的安全性；（3）该方法利用了混沌的随机性和复杂性，提高了图像的加密效果。因此，提出的图像加密方法具有高效、安全和加密效果良好的特征，可有效地保护了图像网络传输和存储的安全性。附图说明图1：基于三维置乱模型和混沌的图像加密方法的加密流程图；图2：原始图像；图3：加密图像。具体实施方式下面结合具体附图和实例对本专利技术的实施过程进一步详细说明。图1是本方法的加密流程图。采用的编程软件为MatlabR2016a，选取图2为原始图像，其大小为512×512。采用本方法，Alice对原始图像加密的详细过程描述如下。步骤1：混沌序列产生：令原始图像为I；选取PWLCM的初始值z01=0.203921568627451和参数p1=0.190196078431373，Alice迭代该映射512次，可获得一个混沌序列Z1={zi1}512；利用公式（1）计算可得R1={ri1}512；类似地，她利用PWLCM的初始值z02=0.239215686274514和参数p2=0.378431372549021，迭代该映射512次，可得另外一个混沌序列Z2={zi2}512；利用公式（2）计算可得R2={ri2}512。步骤2：混沌矩阵产生：利用初始值x0=0.078431372549021,y0=0.352941176470588和控制参数r1=3.392352941176471,r2=3.043725490196079,s1=0.203882352941176,s2=0.143254901960784，Alice迭代二维Logistic映射512×512次，可获得2个混沌序列X={xi}和Y={yi}；利用公式（3）和（4）计算可得2个大小为512×512的混沌矩阵C1和C2。步骤3：三维置乱模型置乱：Alice利用混沌序列R1，对原始图像I执行行置乱，可得置乱结果Ir；Alice利用混沌序列R2，对Ir执行列置乱，可得置乱结果Ic；Alice利用混沌序列C1，对Ic执行位面置乱，可得置乱结果Ie。步骤4：图像扩散：利用混沌矩阵C2，对置乱结果Ie进行图像扩散操作，可得加密图像J，如图3所示。在解密过程中，利用相同的混沌序列、混沌矩阵和对应的解密方法作用于加密图像，可得解密图像同图2所示。Bob的解密过程是Alice加密的逆过程。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于三维置乱模型和混沌的图像加密方法，其特征在于，加密过程包括如下步骤：步骤1：混沌序列产生：令原始图像I，其大小为m×n；随机选取分段线性混沌映射（Piece‑Wise Linear Chaotic Map，PWLCM）的初始值z01和参数p1；Alice迭代该映射m次，可获得一个混沌序列Z1={ zi1}m，并计算：ri1=mod(floor(zi1×1016), m)，  （1）其中，zi1∈Z1，R1={ri1}m，floor( )是取整函数；类似地，她随机选取另外一个PWLCM映射的初始值z02和参数p2，迭代该映射n次，可获得一个混沌序列Z2={ zi2}n，并计算：ri2=mod(floor(zi2×1016), n)，  （2）其中，zi2∈Z2，R2={ ri2}n；步骤2：混沌矩阵产生：随机选取二维Logistic映射的初始值x0, y0和控制参数r1, r2, s1, s2，Alice迭代该映射m×n次，可得2个混沌序列X={xi}mn和 Y={yi}mn，并计算：ci1=mod(floor(xi×1016), 8)，  （3）ci2=mod(floor(yi×1016), 256)，  （4）其中，xi∈X，yi∈Y；依据元素位置，Alice将混沌序列{ci1}mn转换成一个大小为m×n的混沌矩阵C1；类似地，她也将混沌序列{ci2}mn转换成一个大小为m×n的混沌矩阵C2；步骤3：三维置乱模型置乱：Alice利用混沌序列R1，对原始图像I执行行置乱，可得置乱结果Ir；Alice利用混沌序列R2，对Ir执行列置乱，可得置乱结果Ic；Alice利用混沌序列C1，对Ic执行位面置乱，可得置乱结果Ie；步骤4：图像扩散：利用混沌矩阵C2，对Ie进行图像扩散操作，可得加密图像J。...

【技术特征摘要】
1.基于三维置乱模型和混沌的图像加密方法，其特征在于，加密过程包括如下步骤：步骤1：混沌序列产生：令原始图像I，其大小为m×n；随机选取分段线性混沌映射（Piece-WiseLinearChaoticMap，PWLCM）的初始值z01和参数p1；Alice迭代该映射m次，可获得一个混沌序列Z1={zi1}m，并计算：ri1=mod(floor(zi1×1016),m)，（1）其中，zi1∈Z1，R1={ri1}m，floor()是取整函数；类似地，她随机选取另外一个PWLCM映射的初始值z02和参数p2，迭代该映射n次，可获得一个混沌序列Z2={zi2}n，并计算：ri2=mod(floor(zi2×1016),n)，（2）其中，zi2∈Z2，R2={ri2}n；步骤2：混沌矩阵产生：随机选取二维Logistic映射的初始值x0,y0和控制参数r1,r2,s1,s2，Alice迭代该映射m×n次，可得2个混沌序列X={xi}mn和Y={yi}mn，并计算：ci1=mod(floor(xi×1016),8)，（3）ci2=mod(floor(yi×1016),256)，（4）其中，xi∈X，yi∈Y；依据元素位置，Alice将混沌序列{ci1}mn转换成一个大小为m×n的混沌矩阵C1；类似地，她也将混沌序列{ci2}mn转换成一个大小为m×n的混沌矩阵C2；步骤3：三维置乱模型置乱：Alice利用混沌序列R1，对原始图像I执行行置乱，可得置乱结果Ir；Alice利用混沌序列R2，对Ir执行列置乱，可得置乱结果Ic；Alice利用混沌序列C1，对Ic执行位面置乱，可得置乱结果Ie；步骤4：图像扩散：利用混沌矩阵C2，对Ie进行图像扩散操作，可得加密...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓强，王雪松，程玉虎，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32