一种基于2D Wilson迷宫的数字置乱方法技术

本发明专利技术提供一种基于2D Wilson迷宫的数字置乱方法，预先对Wilson迷宫生成区域进行人为限定，从而可用于人为指定的任意2D封闭连通区域，同时按迷宫节点更新顺序对迷宫设定区域的每个节点赋予唯一编号，由此产生迷宫设定区域所有节点的排列，在此基础上构造了基于2D Wilson迷宫节点更新序列和节点更新序列复合的置乱方法，从而可将所有节点置乱。本发明专利技术所给出的置乱方法具有普适性和灵活性，在使用过程中不存在任何限制，不仅能用于传统置乱方法所针对的规则区域，例如正方形和矩形区域，也可用于任意选定的2D封闭连通不规则区域置乱。本发明专利技术也给出了用于像素矩阵，R、G、B通道矩阵和比特位面的图像置乱方法。

【技术实现步骤摘要】
-种基于2D Wi Ison迷宫的数字置乱方法
本专利技术主要涉及信息安全和数字信号处理等交叉研究领域，具体为基于Wilson 迷宫生成策略的数字置乱方法，特别涉及一种基于2D Wilson迷宫的数字置乱方法。
技术介绍
近年来，伴随着计算机和网络技术的发展，越来越多的图像在网络中传输，在给用 户提供方便的同时，也带来了一系列的安全隐患。对图像的不当使用和恶意篡改，不仅涉及 个人隐私问题，也会给社会带来严重的负面影响。保障图像的核心技术是数字图像加密。 在数字图像加密领域，研究最为广泛和灵活的一类图像加密方法，就是在同一空 间内，对图像的重编码技术，即图像置乱技术。 随着计算机技术的飞速发展，数字图像置乱技术已成为数字安全传输和保密的主 要手段。其基本思路就是把一幅图像经过一定的数学变换，转变成面目全非的另一幅图像， 以起到对图像的安全保密作用。 数字图像置乱也是目前隐密术、数字水印、信息分存和可视密码技术中，一项关键 预处理技术。已受到国内外学者的普遍重视，并取得丰硕的研究成果。 数字图像置乱最初来源于有线电视信号加密，早期的置乱在位置空间进行，用于 对图像像素位置打乱，这些置乱方法包括行倒置置乱、行平移置乱、行置换置乱、行循环置 舌U行分量切割置乱等。随着置乱技术的不断发展，目前已提出的置乱方法多种多样，既可 用于位置置换，也可用于灰度替代。 当前已提出的置乱方法主要有：基于离散元素序列的置乱方法、基于扫描路线的 置乱方法、基于遍历矩阵的置乱方法、基于迭代函数系统的置乱方法、基于离散混沌映射的 置乱方法、基于中国拼图的置乱方法和基于矩阵变换的置乱方法等。 目前尽管已提出了多种置乱方法，但传统置乱方法大多只能用于规则区域置乱， 例如正方形和长方形区域，而不能对图像选定的任意不规则区域进行置乱。 例如基于Fibonacci序列和Lucas序列的置乱方法将待置乱图像的宽、高拘泥为 Fibonacci序列和Lucas序列元素；基于SCAN语言和Hilbert曲线的置乱方法将置换图像 的大小约束为2 nX2n的正方形图像；由于并非所有图像都存在骑士巡游路径，由此导致了 基于骑士巡游的置乱方法只能用于图像宽、高在特定尺度上的图像；对于奇数阶幻方，其置 乱图像边长为奇数，对于双偶阶幻方，其置乱图像边长为4的整数倍；由于任意阶的拉丁方 并非都存在，基于拉丁方的置乱方法只能用于置乱图像边长为特定尺度的图像，例如边长 为P n且P为素数的图像；对于离散Kolmogorov Flows Map和亚仿射变换,只能用于置乱正 方形图像；传统的基于矩阵的图像置乱方法，其基本表示形式为X[i] = (AX[H])mod N，但由 于只有一个尺度参数N，由此决定了基于矩阵的图像置乱方法只能用于置乱特定尺度的图 像，例如正方形图像和对矩形图像的灰度进行置乱。 在文献二维非等长图像置乱变换（电子学报，2007, 35 (7) : 1290-1294)， 二维三角映射及其在图像置乱上的应用（Information Technology Journal，2008, 7 (I) :40-47)，二维双尺度矩形映射及其在图像置乱上的应用（计 算机辅助设计与图形学报，2009, 21 (7) : 1026-1034)和多尺度三角映射及其在 变尺度置舌L 上的应用(International Journal of Computer Applications in Technology, 2010, 38 (1-3) :74-85)，我们将 Xm = (AX[i-1]) mod N 拓展为 X[i] = (AX[i-1]) modN，N为有限个尺度构成的尺度向量，提出了 2维非等长变换存在性判据，2维双尺度矩形 映射的特殊形式-2维三角映射，以及2维双尺度矩形映射一般性构造方法和多尺度三角映 射。尽管X m= (AX[H])m〇dN可用于任意矩形图像置乱，并可对图像位置和灰度同时置乱， 但所提出的方法只能对规则区域进行置乱，不能用于对选定的任意不规则区域进行置乱。 传统的迷宫生成方法在人工智能和优化计算领域应用较广，一般用于动态复杂场 景的模拟和仿真，在信息安全领域涉及较少，在文献基于迷宫置换和Logistic混沌映射的 图像加密算法（计算机应用，2014, 34 (7) : 1902-1908)，我们探讨了基于DFS迷宫节点入栈 顺序和行优先扫描顺序高效产生置换的方法，将迷宫生成方法应用于任意矩形图像加密， 但所提出的方法不能应用于图像的任意连通不规则封闭区域加密。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种基于2D Wilson迷宫的数字置乱 方法，该法可用于2D任意连通封闭区域数据置乱。 为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案： 一种基于2D Wilson迷宫的数字置乱方法，包括以下步骤： 第1步：设定迷宫初始范围为Sinit = Omxn和迷宫有效区域Smaze = (Si，j)mXn，对 于 ν'ν，/ = 0，··.，/---1^ = 0，·.-，《-1，若 ￠51 隊e，则标记 Si;j = -1，反之则标记 Si;j = 〇表示该节点未访问，若SyX)表示该节点已访问，统计Smaze范围内的节点数量Nummazei = Count(Smaze)； 第 2 步：对于 廳，/ = 〇,…，W-Ij = (),…，/7-1，记 Si，』· d，d = 0, 1，2, 3 依 次为节点Sy的下方、右方、上方和左方墙，初始化Sy. d = -1，d = 0, 1，2, 3,即将Smaze范围 内的所有节点以墙进行分隔，si;j. d = -1表示有墙，si;j. d = 0表示无墙； 第3步：选择随机数发生器y = RG(X)，设定随机数发生器初始值RG. init = seed, 记已访问的节点数量Numvisited,初始Numvisited = 0,初始化已访问迷宫节点列表Aupdate = Φ ; 第4步：随机选取％= = ^，标记Sx y =丨，将其加入到节点更新 序列， Aupdate ^-update* add (sx，y)，Numvisited = Numvisited+1 ; 第5步：若Numvisited < Nummaze，则循环执行第6步?第10步； 第6步：初始化Wilson随机游走路线列表Awilsm = Φ，初始化全0元素 Wilson矩 阵Mwilsm =(丽i，j)mXn，其中丽=〇表示SiJ不在Wilson随机游走路线上，丽u = -1表 示Sy在Wilson随机游走路线上； 第7步：从Sx，y周围Smaze范围内有效节点s x+1，y, sx，y+1, Sx-U, Sj^1中随机选择1个 节点SxW作为当前节点，若S xW = 0且mwxw = -1，则在Wilson随机游走路线列表 Awilsm中移除sx,，y,第1次位置出现之后的所有节点并将对应的节点重新在M wilsm上标记为 O ； 第 8 步：若 sx,，y, = 0 且丽x,，y, = 0,则标记丽，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于2D Wilson迷宫的数字置乱方法，其特征在于包括以下步骤：第1步：设定迷宫初始范围为Sinit＝()m×n和迷宫有效区域Smaze＝(si,j)m×n，对于i＝0,…,m‑1,j＝0,…,n‑1，若则标记si,j＝‑1，反之则标记si,j＝0表示该节点未访问，若si,j>0表示该节点已访问，统计Smaze范围内的节点数量Nummaze＝count(Smaze)；第2步：对于i＝0,…,m‑1,j＝0,…,n‑1，记si,j.d,d＝0,1,2,3依次为节点si,j的下方、右方、上方和左方墙，初始化si,j.d＝‑1,d＝0,1,2,3，即将Smaze范围内的所有节点以墙进行分隔，si,j.d＝‑1表示有墙，si,j.d＝0表示无墙；第3步：选择随机数发生器y＝RG(x)，设定随机数发生器初始值RG.init＝seed，记已访问的节点数量Numvisited，初始Numvisited＝0，初始化已访问迷宫节点列表Aupdate＝Φ；第4步：随机选取标记sx,y＝1，将其加入到节点更新序列，Aupdate＝Aupdate.add(sx,y)，Numvisited＝Numvisited+1；第5步：若Numvisited＜Nummaze，则循环执行第6步～第10步；第6步：初始化Wilson随机游走路线列表AWilson＝Φ，初始化全0元素Wilson矩阵MWilson＝(mwi,j)m×n，其中mwi,j＝0表示si,j不在Wilson随机游走路线上，mwi,j＝‑1表示si,j在Wilson随机游走路线上；第7步：从sx,y周围Smaze范围内有效节点sx+1,y,sx,y+1,sx‑1,y,sx,y‑1中随机选择1个节点sx′,y′作为当前节点，若sx′,y′＝0且mwx′,y′＝‑1，则在Wilson随机游走路线列表AWilson中移除sx′,y′第1次位置出现之后的所有节点并将对应的节点重新在MWilson上标记为0；第8步：若sx′,y′＝0且mwx′,y′＝0，则标记mwx′,y′＝‑1，则将sx′,y′加入AWilson，即AWilson＝AWilson.add(sx′,y′)；第9步：若sx′,y′＝1，则将AWilson中的所有节点标记为已访问，将其加入到Aupdate，Numvisited＝Numvisited+Lvisited.length；第10步，若sx,y周围不存在可以访问的Smaze范围内有效节点，则从Aupdate中随机选择1个节点作为当前节点sx,y；第11步：利用Aupdate构造Smaze＝(si,j)m×n范围内所有节点间的映射关系，从而将Smaze＝(si,j)m×n范围内的所有节点置乱。...

【技术特征摘要】
1. 一种基于2D Wilson迷宫的数字置乱方法，其特征在于包括以下步骤： 第1步：设定迷宫初始范围为Sinit = Omxn和迷宫有效区域Smaze = (Si，」)mXn，对于 i = 0,…，m-1, j = 0,…，n-1,若气y，则标记SiJ = -1,反之则标记SiJ = 0表示该节 点未访问，若Si, j>0表示该节点已访问，统计Smazej范围内的节点数量Nummazej = count (SmaJ ; 第 2 步：对于於以 e $w:e，i = 0,…，m-1，j = 0,…，n-1，记 Si,d，d = 0, 1，2, 3 依次 为节点Sg的下方、右方、上方和左方墙，初始化sy. d = -1，d = 0, 1，2, 3,即将Smaze范围内 的所有节点以墙进行分隔，si;j. d = -1表示有墙，si;j. d = 0表示无墙； 第3步：选择随机数发生器y = RG (X)，设定随机数发生器初始值RG. init = seed,记 已访问的节点数量Numvisited,初始Numvisited = 0,初始化已访问迷宫节点列表Aupdate =①； 第4步：随机选取￡5^，1 = %，;；=凡，标记8!^=1，将其加入到节点更新序列， ^update ^update* add (sx，y)，Numvisited = Numvisited+1 ; 第5步：若Numvisited < Nummaze，则循环执行第6步?第10步； 第6步：初始化Wilson随机游走路线列表Awilsm = O，初始化全0元素 Wilson矩阵 Mwilson = (KiwiJ)mxn，其中mwu = 0表示SiJ不在Wilson随机游走路线上，mwu = -1表示 SiJ在Wilson随机游走路线上； 第7步：从sx，y周围Smaze范围内有效节点sx+1， y, sx，y+1, Sj^y, Sj^1中随机选择1个节点 sx，作为当前节点，若sx,，y, =0且mwxw =-1，则在Wilson随机游走路线列表Awilsm中移除sx,第1次位置出现之后的所有节点并将对应的节点重新在Mwilsm上标记为0 ; 第8步：若sx,，y, = 0且丽x,，y, = 0,则标记丽，，y, =-1，则将sx,，y,加入Awilsm，即 Awiison - AwiIson-add (sx;，y;); 第9步：若sx,= 1,则将Awilsm中的所有节点标记为已访问，将其加入到Aupdate, Numvisited = Numvisited+Lvisited. length ； 第10步，若sx，y周围不存在可以访问的Smaze范围内有效节点，则从A upd&中随机选择I 个节点作为当前节点sx，y; 第11步：利用Aupdate构造 S_ = (Su)mxn范围内所有节点间的映射关系，从而将Smaze=(SiJmxn范围内的所有节点置乱。2. 如权利要求1所述的基于2D Wilson迷宫的数字置乱方法，其特征在于第11步中映 射方法具体包括以下步骤： 第11. 1步：选取整数作为映射偏移量11，11 mod Aupdate. length尹0,将其按式⑴规 范到（-Aupdate. length, Aupdate. length)范围内的整数，按式⑵计算index ; 11 = 11 mod Aupdate. length (I)弟 11. 2 步：将 Sinit 复制为 T = (tyhxn ; 第11. 3步：对于為，按式⑶将Si，j赋值给tx，y; (^./) = AuP,^ (HI a = 〇，--?，Amu,,, -lenSth ~1 (^ y) = AlUialMkX kk = 0,--?, AiipdalJength -1 (3) kk = (// + index) mod Aiwihik,.length 第 11. 4 步：输出 T = (I^j)mxntj3. 如权利要求I所述的基于2D Wilson迷宫的数字置乱方法，其特征在于：选取两个随 机数发生器 y = RGtl(X)，y = RG1(X)，设定随机初始值 RGtl. init = Seedc^RG1. init = Seed1, 分别生成迷宫节点更新序列; 第11步中映射方法具体包括以下步骤： 第11. 1步：输入任意整数作为映射偏移量11，并将其按式⑷规范到 辦,如_)范围内的整数，按式（5)计算index ;第 11. 4 步：输出 T = (I^j)mxntj4. 如权利要求2所述的基于2D Wilson迷宫的数字置乱方法，其特征在于在进行图像 置乱时，具体包括以下步骤： 第（1)步：读取待置乱图像像素矩阵P...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵利平，
申请(专利权)人：陕西师范大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61