基于二维离散小波变换和时空混沌的彩色图像无损加密方法技术

本发明专利技术涉及一种基于二维离散小波变换和时空混沌的彩色图像无损加密方法，分离彩色明文图像三基色分量，得到矩阵IR0、IG0和IB0；利用外部密钥，并结合明文图像，产生时空混沌系统参数和初始值，对时空混沌系统进行迭代运算，得到密钥流K1和K2；对分量IR0、IG0和IB0进行二维离散小波变换，得到三组子带；利用密钥流K1，对三组子带分别进行置乱处理，并压缩子带的大小；对处理后的每组子带分别进行二维离散小波逆变换，得到小波加密图像I1；利用密钥流K2，对图像I1的像素进行扩散处理，得到最终的密文图像C。本发明专利技术与现有的图像加密方法相比，具有安全性高、加密效果好、信息无损失、加密速度快、抗攻击能力强等优点，可广泛应用于医学、生物基因、军事等领域。

【技术实现步骤摘要】
基于二维离散小波变换和时空混沌的彩色图像无损加密方法
本专利技术涉及图像加密领域，特别涉及一种基于二维离散小波变换和时空混沌的彩色图像无损加密方法。
技术介绍
现如今，大量的数字图像在计算机网络上便捷传播，如何保护图像信息，避免被非法复制、伪造、篡改、非法访问等成为信息安全领域的一个关注热点。由于数字图像具有数据量大、相邻像素相关性强等特点，传统的加密算法如DES、AES、RSA等用于图像加密时，普遍存在着加密效率低、安全性弱等问题。研究发现，混沌系统本身具有的优良特性非常适合用于信息加密，因此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。现有的许多图像加密算法都是基于空间域进行的，即直接对图像像素进行加密处理。这类方法偏重于破坏相邻像素的相关性，但使得密文图像不可压缩。由于图像数据量普遍非常庞大，在存储和传输过程中通常要对图像进行正交变换后作编码处理。因此，人们考虑在进行编码处理的过程中进行加密操作，如在离散余弦变换(DCT)域、离散小波变换(DWT)域、傅里叶变换(FT)域上加密等。需要注意的是，基于DCT域或FT域的数字图像加密方法无法完全消除块边界的关联性，这往往会产生人为的块效应问题，从而影响算法图像解密效果。而基于DWT域的数字图像加密方法将图像作为一个整体进行加密，不涉及图像分块，从而避免了出现块效应问题。此外，DWT还具有以下优点：具有内在的伸缩比例和较好的辨识性；同时在时间域和空间频率域上具有良好的定位；比DCT具有更高的灵活性等。因此，在DWT域上对数字图像加密具有重要的理论意义和应用价值。现有的基于DWT域的数字图像加密方法主要针对灰度图像。彩色图像比灰度图像包含的信息量更丰富，数据格式和表示更为复杂。因此，针对灰度图像的加密方法并不能直接推广应用于彩色图像的加密。此外，这些算法还存在着安全性弱、感知退化、信息丢失等问题。在一些特殊应用行业，如医学、生物基因、军事等，严格要求加、解密图像必须完全相同。因此，有必要研究基于DWT域的彩色图像无损加密方法。
技术实现思路
为克服现有的基于DWT域的图像加密算法的缺陷，本专利技术提出一种利用二维离散小波变换和时空混沌的彩色图像无损加密算法，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。按照本专利技术所提供的设计方案，一种基于二维离散小波变换和时空混沌的彩色图像无损加密方法，包含如下步骤：步骤1.输入大小为W×H的彩色明文图像I0，分离图像I0的R、G、B三基色分量，得到大小为W×H的分量矩阵IR0、IG0和IB0；步骤2.利用外部密钥Key，并根据明文图像I0，产生单向耦合映像格子的系统参数和初始值，对时空混沌系统进行迭代运算得到密钥流K1和K2；步骤3.对分量矩阵IR0、IG0和IB0分别进行二维离散小波变换，得到大小为m×n的子带组：{LL11,LH11,HL11,HH11}、{LL21,LH21,HL21,HH21}和{LL31,LH31,HL31,HH31}，每子带组包含低频子带LL、低高频子带LH、高低频子带HL、高频子带HH，其中，m、n均为自然数；步骤4.利用步骤2中得到的密钥流K1，对步骤3中的子带元素LL11、LH11、HH11、LL21、LH21、HH21、LL31、LH31、HH31分别进行置乱处理，得到置乱后的子带元素LL11′、LH11′、HH11′、LL21′、LH21′、HH21′、LL31′、LH31′、HH31′；步骤5.将子带元素LL11′、LH11′、HL11、LL21′、LH21′、HL21、LL31′、LH31′、HL31的大小分别缩小mn倍，得到子带元素步骤6.对子带组和分别进行二维离散小波逆变换，得到小波加密图像I1及IR1、IG1、IB1，其中，IR1、IG1和IB1分别为I1的R、G、B基色分量矩阵；步骤7.利用步骤2得到的密钥流K2，对步骤6中得到的小波加密图像I1的像素进行扩散处理，得到密文图像C。所述步骤2中对时空混沌系统进行迭代运算得到密钥流K1和K2，具体包含如下步骤：步骤2.1.设定外部密钥Key长度为320位，并均分40块，即Key＝B1B2B3…B40，根据单向耦合映像格子其中，系统参数a和ε为正的实数，且a∈(0,1)，ε∈(0,2)，及明文图像I0的分量矩阵IR0、IG0和IB0，计算得到系统参数a和ε以及初始值xk(0)(k＝1,2,…,6)；步骤2.2.利用步骤2.1得到的系统参数a和ε以及初始值xk(0)(k＝1,2,…,6)，迭代单向耦合映像格子t+WH次，其中，(t≥2000)，并抛弃前个值，得到6组长度为的实值混沌序列Xk；步骤2.3.对步骤2.2中得到的实值混沌序列Xk按照公式：X′k(i)＝10θ×Xk(i)-round(10θ×Xk(i))，做优化改进，其中，(i＝1,2,…,l)，函数round(x)为返回离x最近的整数，θ为正整数且θ∈[4,14]；步骤2.4.对序列X′k按照如下公式：得到序列λ1，λ2，λ3和μ1，μ2和μ3；步骤2.5.对序列λ1，λ2和λ3按升序排序，并用原序列中各元素所在的位置序号取代重排序列中的对应元素，得到由位置序号组成的序列λP1，λP2和λP3，并记作K1(:,1)＝λP1(:)，K1(:,2)＝λP2(:)和K1(:,3)＝λP3(:)，得到密钥流K1；步骤2.6.对序列μ1，μ2和μ3按降序排序，并用原序列中各元素所在的位置序号取代重排序列中的对应元素，得到由位置序号组成的序列μP1，μP2和μP3，将这三个序列分别转换成大小为W×H的三个矩阵，将矩阵中的每个元素分别对256取余，得到元素值在区间[0,255]的矩阵μM1，μM2和μM3，并记作K2(:,:,1)＝λM1(:,:)，K2(:,:,2)＝λM2(:,:)和K2(:,:,3)＝λM3(:,:)，得到密钥流K2。所述步骤2.1中系统参数a和ε以及初始值xk(0)(k＝1,2,…,6)的计算公式如下：其中，mod为模运算符号，&为按位逻辑与运算符号，为按位异或运算符号。所述步骤4中的置乱处理具体包含如下步骤：步骤4.1.将大小为m×n的子带LL11、LH11、HH11、LL21、LH21、HH21、LL31、LH31、HH31分别转换成长度为mn的序列U1、V1、W1、U2、V2、W2、U3、V3、W3；步骤4.2.利用密钥序列K1(:,1)分别对U1、V2、W3进行置乱处理得到序列U1′、V2′、W3′，利用密钥序列K1(:,2)对分别V1、W2、U3进行置乱处理得到序列V1′、W2′、U3′，利用密钥序列K1(:,3)分别对W1、U2、V3进行置乱处理后得到序列W1′、U2′、V3′；步骤4.3.将置乱后的序列U1′、V1′、W1′、U2′、V2′、W2′、U3′、V3′、W3′分别转换成大小为m×n的矩阵LL11′、LH11′、HH11′、LL21′、LH21′、HH21′、LL31′、LH31′、HH31′。所述步骤7中扩散处理具体包含如下步骤：步骤7.1查找IR1、IG1和IB1中的最小像素值δ，令ρ＝-δ+Δ，Δ∈[3,8]为正整数；步骤7.2根据公式改变小波加密图像I1的像素本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于二维离散小波变换和时空混沌的彩色图像无损加密方法，其特征在于：包含如下步骤：步骤1.输入大小为W×H的彩色明文图像I0，分离图像I0的R、G、B三基色分量，得到大小为W×H的分量矩阵IR0、IG0和IB0；步骤2.利用外部密钥Key，并根据明文图像I0，产生单向耦合映像格子的系统参数和初始值，对时空混沌系统进行迭代运算得到密钥流K1和K2；步骤3.对分量矩阵IR0、IG0和IB0分别进行二维离散小波变换，得到大小为m×n的子带组：{LL11,LH11,HL11,HH11}、{LL21,LH21,HL21,HH21}和{LL31,LH31,HL31,HH31}，每子带组包含低频子带LL、低高频子带LH、高低频子带HL、高频子带HH，其中，m、n均为自然数；步骤4.利用步骤2中得到的密钥流K1，对步骤3中的子带元素LL11、LH11、HH11、LL21、LH21、HH21、LL31、LH31、HH31分别进行置乱处理，得到置乱后的子带元素LL11′、LH11′、HH11′、LL21′、LH21′、HH21′、LL31′、LH31′、HH31′；步骤5.将子带元素LL11′、LH11′、HL11、LL21′、LH21′、HL21、LL31′、LH31′、HL31的大小分别缩小mn倍，得到子带元素步骤6.对子带组{HH11′}、{HH21′}和{HH31′}分别进行二维离散小波逆变换，得到小波加密图像I1及IR1、IG1、IB1，其中，IR1、IG1和IB1分别为I1的R、G、B基色分量矩阵；步骤7.利用步骤2得到的密钥流K2，对步骤6中得到的小波加密图像I1的像素进行扩散处理，得到密文图像C。...

【技术特征摘要】
1.一种基于二维离散小波变换和时空混沌的彩色图像无损加密方法，其特征在于：包含如下步骤：步骤1.输入大小为W×H的彩色明文图像I0，分离图像I0的R、G、B三基色分量，得到大小为W×H的分量矩阵IR0、IG0和IB0；步骤2.利用外部密钥Key，并根据明文图像I0，产生单向耦合映像格子的系统参数和初始值，对时空混沌系统进行迭代运算得到密钥流K1和K2；步骤3.对分量矩阵IR0、IG0和IB0分别进行二维离散小波变换，得到大小为m×n的子带组：{LL11,LH11,HL11,HH11}、{LL21,LH21,HL21,HH21}和{LL31,LH31,HL31,HH31}，每子带组包含低频子带LL、低高频子带LH、高低频子带HL、高频子带HH，其中，m、n均为自然数；步骤4.利用步骤2中得到的密钥流K1，对步骤3中的子带元素LL11、LH11、HH11、LL21、LH21、HH21、LL31、LH31、HH31分别进行置乱处理，得到置乱后的子带元素LL11′、LH11′、HH11′、LL21′、LH21′、HH21′、LL31′、LH31′、HH31′；步骤5.将子带元素LL11′、LH11′、HL11、LL21′、LH21′、HL21、LL31′、LH31′、HL31的大小分别缩小mn倍，得到子带元素步骤6.对子带组和分别进行二维离散小波逆变换，得到小波加密图像I1及IR1、IG1、IB1，其中，IR1、IG1和IB1分别为I1的R、G、B基色分量矩阵；步骤7.利用步骤2得到的密钥流K2，对步骤6中得到的小波加密图像I1的像素进行扩散处理，得到密文图像C。2.根据权利要求1所述的基于二维离散小波变换和时空混沌的彩色图像无损加密方法，其特征在于：所述步骤2中对时空混沌系统进行迭代运算得到密钥流K1和K2，具体包含如下步骤：步骤2.1.设定外部密钥Key长度为320位，并均分40块，即Key＝B1B2B3…B40，根据单向耦合映像格子其中，系统参数a和ε为正的实数，且a∈(0,1)，ε∈(0,2)，及明文图像I0的分量矩阵IR0、IG0和IB0，计算得到系统参数a和ε以及初始值xk(0)(k＝1,2,…,6)；步骤2.2.利用步骤2.1得到的系统参数a和ε以及初始值xk(0)(k＝1,2,…,6)，迭代单向耦合映像格子t+WH次，其中，t≥2000，并抛弃前个值，得到6组长度为的实值混沌序列Xk；步骤2.3.对步骤2.2中得到的实值混沌序列Xk按照公式：Xk′(i)＝10θ×Xk(i)-round(10θ×Xk(i))，做优化改进，其中，(i＝1,2,…,l)，函数round(x)为返回离x最近的整数，θ为正整数且θ∈[4,14]；步骤2.4.对序列Xk′按照如下公式：得到序列λ1，λ2，λ3和μ1，μ2...

【专利技术属性】
技术研发人员：武相军，凌广明，张勇，郭念，王慧，路杨，张济仕，张雪，
申请(专利权)人：河南大学，
类型：发明
国别省市：河南;41