一种动态概率和空频域复合的图像选择性加密和解密方法技术

本发明专利技术提供一种动态概率和空频域复合的图像选择性加密和解密方法，将待加密图像MD5值和SHA‑1值复合以提高单Hash特征的抗冲撞能力，通过和用户密钥紧耦合来生成中间密钥参数用于概率区间划分、概率生成、待加密像素块筛选以及确定概率加密事件和变换参数。所设计的加密事件包括空域和频域置换操作以提高加密效率和避免频域系数溢出对恢复图像视觉质量的影响，所提方法对待加密图像的加密特征和用户密钥都进行了更新，使得不同加密次数下的密钥参数有很大不同同时又与待加密图像特征和用户密钥紧密关联，同时又可通过预先设定的加密阈值进行图像视觉质量和频域溢出筛选控制。在解密时，需首先恢复中间密钥集，再对筛选出的像素块执行逆向解密操作。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于信息安全和数字图像信号处理交叉研究领域，涉及一种图像加密和解密方法，特别涉及一种动态概率和空频域复合的图像选择性加密和解密方法。
技术介绍
传统图像加密通常针对的是整幅图像，用于将整幅图像转换为面目全非的随机密图，不仅带来了高昂的计算代价，也掩盖了待加密图像几乎除大小以外的所有特征。在很多实际应用中，往往不需对整幅图像进行加密，而仅需对图像选定的比特位面、区域和部分像素进行加密，并且在加密的同时需提供原始图像的部分特征来给潜在的用户以更多体验，从而换取更大的商业利益，而这些加密图像所保留的图像特征，还可进一步用于图像分类、检索和识别等，从而相对于传统图像加密，具备更多的使用价值。这种仅对图像选定的比特位面、区域和部分像素加密的方法，被称为选择性加密。针对选择性图像加密，目前比较典型的选择性图像加密方法主要有：①对选取的部分比特位面或比特位进行选择性加密。例如，RehmanAU,2015.(RehmanAU,LiaoX,KulsoomA,etal.SelectiveencryptionforgrayimagesbasedonchaosandDNAcomplementaryrules[J].MultimediaToolsandApplications,2015,74(13):4655-4677)对待加密图像的高低位比特位面通过不同的DNA序列加密。KulsoomA,2016.(KulsoomA,XiaoD,Aqeel-ur-Rehman,etal.AnefficientandnoiseresistiveselectiveimageencryptionschemeforgrayimagesbasedonchaoticmapsandDNAcomplementaryrules[J].MultimediaToolsandApplications,2016,75(1):1-23.)进一步引入图像的MD5值来提高RehmanAU,2015所述策略的抗选择明文攻击能力。MoonD,2006.(MoonD,ChungY,PanSB,etal.Anefficientselectiveencryptionoffingerprintimagesforembeddedprocessors[J].ETRIjournal,2006,28(4):444-452.)将像素的LSB作为随机密钥流与高位比特位进行异或加密来掩盖待加密图像特征，并通过保密LSB来提高所述策略的安全性。VanogenbroeckM,2002.(VanogenbroeckM,BenedettR.Techniquesforaselectiveencryptionofuncompressedandcompressedimages[C]//inProceedingsofAdvancedConceptsforIntelligentVisionSystems(ACIVS)2002.2002:90-97.)利用与密图等大的2值随机密钥对选定的比特位面进行逐位异或加密。钟鸣,2008.(钟鸣,廖晓峰,周庆.一种基于四叉树的空域图像选择加密算法[J].计算机工程,2008,34(18):174-178.)将图像选定的比特位面划分为8×8小块，通过改变小块的位置关系和交换8×8小块4叉树同层分解结点的位置顺序来对选定的比特位面进行加密。XiangT,2007.(XiangT,WongK,LiaoX.Selectiveimageencryptionusingaspatiotemporalchaoticsystem[J].Chaos:AnInterdisciplinaryJournalofNonlinearScience,2007,17(2):415-427.)采用基于斜帐篷映射的1维耦合映射格子对选中的比特位面进行选择性加密，并通过调整待加密的显著比特位面数量在安全性和加密性能上进行折中。HoangT,2014.(HoangT,Tran,D.Cryptanalysisandsecurityimprovementforselectiveimageencryption[J].EuropeanPhysicalJournalSpecialTopics,2014,223(8):1635-1646.)对XiangT,2007的安全性进行了分析，通过改变每个像素参与加密的显著比特位数来提高所述策略的安全性。RehmanAU,2015，KulsoomA,2016，MoonD,2006，VanogenbroeckM,2002，钟鸣,2008，XiangT,2007和HoangT,2014都是基于比特位面或比特位的选择性图像加密。不同的是RehmanAU,2015和KulsoomA,2016对高低位比特位面采用了不同的加密策略；MoonD,2006是将低位比特位面作为对高位比特位面异或加密的密钥；VanogenbroeckM,2002，钟鸣,2008和XiangT,2007是对选中的比特位面进行加密；HoangT,2014对不同的像素进行不同数量的比特位加密。基于比特位面和比特位的选择性加密策略可通过调整加密的比特位面和加密比特位的数量来调整待加密图像的视觉质量，若加密数量过多，则趋于传统图像加密，若仅对显著位或显著位面进行加密，则丧失图像的辨识特征，若仅对不显著比特位面加密，则无法有效地降低图像的视觉质量。若将LSB作为密钥，则在传输过程中易于破坏，导致加密图像无法恢复。对于灰度或彩色图像，仅有有限个可供选择的比特位面，通过选择不同的比特位面来对图像加密代价和加密图像的视觉质量进行调控，所能起到的调控作用十分有限。②对图像像素和像素块进行筛选，对筛选出的像素和像素块进行选择性加密。例如，赵亮,2010.(赵亮,廖晓峰,向涛等.基于Z矩阵映射和选择加密的彩色图像退化算法研究.物理学报[J],2010,59[3]:1507-1523.)给出了基于像素随机筛选模版和像素信息熵的图像退化加密方法。林杨菲,2015.(林杨菲,叶少珍.一种医学影像数据选择性的加密方法.电子技术应用[J],2015,41(3):107-110.)利用图像分块的像素和来对加密的像素块进行筛选，通过SCAN语言和图像Hash值对筛选出的像素块进行加密。WenW,2015.(WenW,ZhangY,FangZ,etal.Infraredtarget-basedselectiveencryptionbychaoticmaps[J].OpticsCommunications,2015,341:131–139.)利用几何活动轮廓和偏微分方程对红外图像的目本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种动态概率和空频域复合的图像选择性加密方法，其特征在于包括以下步骤：第1步：记待加密图像为A＝(ai,j)m×n且ai,j∈{0,1,…,255}，设置加密次数t,t＞0，初始迭代控制参数k＝1，选定初始参数μ0∈[3.57,4]以及设定加密判断阈值δ,δ＞0，记A的MD5值和SHA‑1值分别为16进制数序列SMD5＝<m0,m1,…,m31>和SSHA‑1＝<s0,s1,…,s39>，将SMD5和SSHA‑1串联为16进制数序列Sms＝SMD5||SSHA‑1＝<smi>72并初始化加密事件下标索引序列Sid为Sid＝<0,1,…,5>，其中“||”为比特位串串联操作符；第2步：将Sms映射为16进制序列Sh＝<h0,h1,…,h39>；第3步：将Sh均分成四部分，然后将转换为(0,1)范围内的10进制小数Gi,i＝0,1,…,3；第4步：将G3作为初始参数α，把G0,G1,G2映射为(0,1)范围内的10进制小数G′0,G′1,G′2，将G′0,G′1,G′2作为密钥参数Xinit,Yinit,xinit，即Xinit＝G′0,Yinit＝G′1,xinit＝G′2；第5步：将初始参数μ0作为系统参数，密钥参数xinit作为初始值产生5个(0,1)范围内的随机数作为序列Sp＝<p0,p1,p2,p3,p4>，由Sp构造(0,1)范围内的区间划分序列S′p＝<p′0,p′1,p′2,p′3,p′4>，从而得到概率区间[0,p′0),[p′0,p′1),[p′1,p′2),[p′2,p′3),[p′3,p′4),[p′4,1]；第6步：将密钥参数Yinit,μ0映射为μ1∈[3.57,4]，由Xinit和μ1分别作为初始值和系统参数迭代产生(0,1)范围内的中间密钥参数Zinit；第7步：将Xinit,Yinit,Zinit作为初始值，迭代1次产生3个实值随机数依次作为参数X0,Y0,Z0；第8步：将X0,Y0映射为加密图像A＝(ai,j)m×n上的随机点(r0,v0)；第9步：将(r0,v0)作为起点，从待加密图像A＝(ai,j)m×n筛选出Min＝(mu,w)4×4， 计算Min的映射值Map(Min)，若Map(Min)≥δ则执行第10步，反之将xinit作为概率判断值P，将X0,Y0,Z0的映射值作为变换参数v，根据P所落入的概率区间，执行对应的空域和频域置换加密操作，然后对加密后的矩阵小块Mout计算映射值Map(Mout)；若Map(Mout)<δ，则将Mout中的像素依次作为待加密图像A＝(ai,j)m×n对应位置的像素，反之将Min中像素直接作为待加密图像A＝(ai,j)m×n对应位置像素；第10步：利用X0,Y0,Z0对事件索引序列Sid进行重排更新；第11步：利用X0,Y0,Z0对初始参数μ0和Sms＝<msi>72中的元素进行更新操作；第12步：若k≤t时，更新k＝k+1，反复执行第2步～第11步；第13步：将A＝(ai,j)m×n输出作为加密图像。...

【技术特征摘要】
1.一种动态概率和空频域复合的图像选择性加密方法，其特征在于包括以下步骤：

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