一种面向比特的基于仿生元胞自动机的图像置乱方法技术

本发明专利技术公开一种面向比特的基于仿生元胞自动机的图像置乱方法，所述方法的置乱步骤为：首先提取明文图像的像素矩阵，然后将明文图像的像素矩阵转换为二进制矩阵，接着给仿生元胞自动机赋初值，仿生元胞自动机根据规则B3/S1234进行K步迭代，最后利用仿生元胞自动机每步迭代的结果实现图像的置乱。本发明专利技术方法能同时改变图像中像素位置和像素值，具有良好的置乱效果，而且能够抵抗选择明文攻击。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及信息安全领域中的图像保密技术，特别是一种面向比特的基于仿生元 胞自动机的图像置乱方法。
技术介绍
数字图像置乱是指将图像搅乱，消除位置或灰度相关性，从而使人类或计算机系 统无法理解原始图像所表达的真实含义。数字图像的置乱技术，可以看作数字图像加密的 一种途径，也可以用作数字图像隐藏、数字水印图像植入和数字图像秘密共享的预处理和 后处理过程。 常见的图像置乱方法有Arnold变换、Fibonacci-Q变换、幻方变换、骑士巡游变 换、Hilbert曲线、混沌排序方法等。然而，上述这些图像置乱方法通常都是以像素为单位， 仅改变像素的位置，不改变像素值，从而置乱过后的图像直方图与明文图像直方图相同，难 以统计分析和选择明文攻击，安全性较差。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种面向比特的基于仿生元 胞自动机的图像置乱方法，与面向像素的图像置乱方法相比，由于本专利技术方法中最小操作 单位是比特，使得像素位置改变的同时，像素值也随着改变，图像的直方图也发生了变化， 本专利技术提出的方法不仅置乱效果好，而且安全性更高。 技术方案：，包括以下步 骤： 步骤1，提取明文图像的像素矩阵IMXN，M是图像的高度，N是图像的宽度，均以像 素计； 步骤2,将明文图像的像素矩阵Imxn转换为二进制矩阵PMXUXN)，转换方法为：若明 文图像为灰度图像，则w = 8,将每个像素值转换为8位二进制，得到一个M行和8N列的二 进制矩阵；若明文图像为彩色图像，则w = 24,将每个像素值转换为24位二进制，得到一个 M行和24N列的二进制矩阵；另外，定义一个存放置乱图像的二进制矩阵为Cmx(wXN); 步骤3,由伪随机数发生器产生一个有M行和wXN列的随机二进制矩阵RmxUxn); 步骤4,令仿生元胞自动机水平方向元胞的数量为wXN，仿生元胞自动机垂直方 向元胞的数量为M，设定一个大小为MX (wXN)个元胞的仿生元胞自动机； 步骤5,设定仿生元胞自动机的迭代规则，令仿生元胞自动机t = 0时刻所有元胞 的状态为4 ? ?表示异或运算，仿生元胞自动机在迭代规则的作用下 迭代K次，产生K个二进制矩阵，分别为A1, A2，…，Ak; 步骤6,令（i，j)表示二进制矩阵中元素的位置，Aji，j)表示二进制矩阵A。中第 i行第j列的元素。按照从左往右，从上往下的扫描线顺序，若Aji，j) = 1，则将二进制矩 阵PM>^XN)中第i行第j列的元素按扫描线顺序一个接一个地排列在置乱图像的二进制矩 阵 Cmx (；wxw 中； 步骤7，令心（1，j)表示二进制矩阵心中第i行第j列的元素。对于I = 1，2，...K 的情况，按照从左往右，从上往下的扫描线顺序，若A1 (i，j) = 1，则将二进制矩阵PMXUXN)中 之前未被处理过的第i行第j列的元素按扫描线顺序一个接一个地排列在置乱图像的二进 制矩阵CMX(wXN)中； 步骤8,将二进制矩阵PmxUXN)中所有未被处理过的元素，按扫描线顺序一个接一 个地排列在置乱图像的二进制矩阵C MX(wXN)中，这些未被处理过的元素均满足条件A i (i，j) =0, I = 0, 1，2,…K ; 至此一轮置乱结束，置乱图像的二进制矩阵CMX(wXN)转换为像素矩阵得到置乱后 的图像记为P ; 作为本专利技术所述的进一步 优化方案，所述步骤2中该仿生元胞自动机每个元胞具有活和死两个状态，分别用1和0表 示，每个元胞与其上下左右以及对角线上的元胞组成一个3X3的Moore邻域；对仿生元胞 自动机边界上的元胞进行周期型边界处理：第0行元胞的状态值等于第M行元胞的状态值， 第M+1行元胞的状态值等于第1行元胞的状态值，第0列元胞的状态值等于第wXN列元胞 的状态值，第wXN+Ι列元胞的状态值等于第1列元胞的状态值。 作为本专利技术所述的进一步 优化方案，所述步骤5中的迭代规则为B3/S1234。 作为本专利技术所述的进一步 优化方案，所述迭代规则具体如下：若一个状态为〇的元胞，当它的Moore邻域中有3个元 胞的状态为1，那么在下一时刻，该元胞的状态为1 ;若一个状态为1的元胞，当它的Moore 邻域中有1个或2个或3个或4个元胞的状态为1，那么在下一时刻，该元胞的状态仍为1 ; 否则，不论该元胞的当前状态为0或1，下一时刻均为0。 作为本专利技术所述的进一步 优化方案，可进行第二轮置乱，在第二轮置乱过程中，将第一轮置乱得到的置乱图像的二进 制矩阵C MX(wXN)作为明文图像的二进制矩阵PMX(wXN)，重复步骤3至步骤8,最后将置乱图像 的二进制矩阵转换为像素矩阵得到两轮置乱后的图像记为P"; 本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果： 本专利技术与面向像素的图像置乱方法相比，采用面向比特的图像置乱方法，能同时 改变图像中像素位置和像素值，具有良好的置乱效果，而且能够抵抗选择明文攻击。【附图说明】 图1是实施例1中的明文图像； 图2是实施例1中两轮置乱后的置乱图像； 图3是实施例1中明文图像的直方图； 图4是实施例1中置乱图像的直方图。【具体实施方式】 下面结合具体实施例，进一步阐明本专利技术，应理解这些实施例仅用于说明本专利技术 而不用于限制本专利技术的范围，在阅读了本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术的各种等价 形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。 本专利技术设计，本专利技术中采用 面向比特的图像置乱方法，能同时改变图像中像素位置和像素值，具有良好的置乱效果，而 且能够抵抗选择明文攻击。 本专利技术的实施例采用Mathematica 8软件进行仿真，下面给出本专利技术的一个实施 例： 明文图像选用大小为256X256的灰度图像，灰度图像的每一个像素由8比特组 成，如图1所示。 实施例的图像置乱的具体实施步骤如下： 步骤1 :提取明文图像的像素矩阵I256x256，图像的高度为256个像素，图像的宽度 为256个像素； 步骤2,将明文图像的像素矩阵I256x256转换为二进制矩阵P 256X2_;另外，定义一个 存放置乱图像的二进制矩阵为C256X2_; 步骤3,由伪随机数发生器产生一个有256行和2048列的随机二进制矩阵 1^256X2048; 步骤4,令仿生元胞自动机水平方向元胞的数量为2048,仿生元胞自动机垂直方 向元胞的数量为256,设定一个大小为256 X 2048个元胞的仿生元胞自动机；该仿生元胞自 动机的每个元胞具有活和死两个状态，分别用1和〇表示，每个元胞与其上下左右以及对 角线上的元胞组成一个3X3的Moore邻域，由于仿生元胞自动机边界上的元胞没有完整的 Moore邻域，因此需要进行合理的边界处理，在这里我们做如下周期型边界处理：第0行元 胞的状态值等于第256行元胞的状态值，第257行元胞的状态值等于第1行元胞的状态值， 第〇列元胞的状态值等于第2048列元胞的状态值，第2049列元胞的状态值等于第1列元 胞的状态值； 步骤5,设定仿生元胞自动机的迭代规则为B3/S1234,规则描述如下：若一个状态 为〇的元胞，当它的Moore邻域中有3个元胞的状态为1，那么在下一时刻，该元胞的状态为 1 ;若一个状态为1的元胞，当它的Moore邻域中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向比特的基于仿生元胞自动机的图像置乱方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，提取明文图像的像素矩阵IM×N，M是图像的高度，N是图像的宽度，均以像素计；步骤2，将明文图像的像素矩阵IM×N转换为二进制矩阵PM×(w×N)，转换方法为：若明文图像为灰度图像，则w＝8，将每个像素值转换为8位二进制，得到一个M行和8N列的二进制矩阵；若明文图像为彩色图像，则w＝24，将每个像素值转换为24位二进制，得到一个M行和24N列的二进制矩阵；另外，定义一个存放置乱图像的二进制矩阵为CM×(w×N)；步骤3，由伪随机数发生器产生一个有M行和w×N列的随机二进制矩阵RM×(w×N)；步骤4，令仿生元胞自动机水平方向元胞的数量为w×N，仿生元胞自动机垂直方向元胞的数量为M，设定一个大小为M×(w×N)个元胞的仿生元胞自动机；步骤5，设定仿生元胞自动机的迭代规则，令仿生元胞自动机t＝0时刻所有元胞的状态为表示异或运算，仿生元胞自动机在迭代规则的作用下迭代K次，产生K个二进制矩阵，分别为A1,A2,…,AK；步骤6，令（i,j）表示二进制矩阵中元素的位置，A0(i,j)表示二进制矩阵A0中第i行第j列的元素。按照从左往右，从上往下的扫描线顺序，若A0(i,j)＝1，则将二进制矩阵PM×(w×N)中第i行第j列的元素按扫描线顺序一个接一个地排列在置乱图像的二进制矩阵CM×(w×N)中；步骤7，令Al(i,j)表示二进制矩阵Al中第i行第j列的元素；对于l＝1,2,...K的情况，按照从左往右，从上往下的扫描线顺序，若Al(i,j)＝1，则将二进制矩阵PM×(w×N)中之前未被处理过的第i行第j列的元素按扫描线顺序一个接一个地排列在置乱图像的二进制矩阵CM×(w×N)中；步骤8，将二进制矩阵PM×(w×N)中所有未被处理过的元素，按扫描线顺序一个接一个地排列在置乱图像的二进制矩阵CM×(w×N)中，这些未被处理过的元素均满足条件Al(i,j)＝0，l＝0,1,2,...K；至此一轮置乱结束，置乱图像的二进制矩阵CM×(w×N)转换为像素矩阵得到置乱后的图像记为P′。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：平萍，毛莺池，许峰，许国艳，戚荣志，吕鑫，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32