一种基于加权处理的三维Lorenz映射控制的二进制安全算术编码方法技术

本发明专利技术目的在于提供一种基于加权处理的三维Lorenz映射控制的二进制安全算术编码方法，该方法由初始值密钥(1)、权重密钥(2)、Lorenz映射(3)、算术编码器(4)、信道(5)和算术解码器(6)构成。本发明专利技术采用三维的Lorenz混沌系统来产生加密向量，引入了加权的思想，增大了密钥的可操作空间，使加密向量的不可预测性较低维的混沌系统更强。同时本发明专利技术在不损失编码效率的情况下，将数据压缩和加密一体化，简化了通信系统的结构。

A binary secure arithmetic coding method based on weighted processing for 3D Lorenz mapping control

The present invention is to provide a safe binary arithmetic encoding method of 3D Lorenz mapping control based on weighted processing method, the key values from the initial (1), weight (2), Lorenz mapping key (3), (4), the arithmetic encoder channel (5) and (6) constitute the arithmetic decoder. The invention adopts a three dimensional Lorenz chaotic system to generate the encrypted vector, and introduces the weighted idea, which increases the operational space of the key, and makes the prediction of the encryption vector stronger than the low dimensional chaotic system. At the same time, the invention integrates the data compression and encryption without losing the coding efficiency, and simplifies the structure of the communication system.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线通信系统中信源安全算术编码领域，尤其涉及一种基于加权处理的三维Lorenz映射控制的二进制安全算术编码方法。
技术介绍
算术编码是一种压缩效率比Huffman码更高的无损信源压缩方法，已应用于各种压缩标准中，如H.264、JPEG2000等，其安全性受到了国内外学者的广泛关注。为了提高信源的安全性，传统的方法是在信源模块的后面增加一个加密模块，加密模块采用各种加密算法对信源进行加密。通常情况下，加密算法比较复杂，计算量非常大。此外，加密模块也会使通信系统的整体结构复杂，消耗更多的硬件资源。1998年，Witten I H等人在《Computers&Security》杂志上发表题为“On the privacy afforded by adaptive text compression”的一文中指出，自适应的算术编码本身具有加密功能，因为自适应算术编码的概率模型是随着编码符号的输入动态变化的，在译码端如果不知道初始概率模型将会导致译码失败。Bergen H A等人同一杂志上发表题为《A chosen plaintext attack on an adaptive arithmetic coding compression algorithm》的一文，证明了自适应算术编码自身的加密不能抵抗选择性明文攻击，只要选择特定的明文就不难破解自适应算术编码的初始概率模型。2006年，Grangetto M等人在《IEEE Transactions on Multimedia》杂志上发表题为“Multimedia selective encryption by means of randomized arithmetic coding”的一文，提出一种新的算术编码加密方法——随机算术编码，该方法的主要思想是利用密钥来随机变换信源符号所对应的编码区间，在译码时必须通过密钥才能正确译码。这种加密方法将信源加密和信源编码进行有机结合，使编码和加密一体化，无需单独的加密模块，简化了系统结构。同时，该随机算术编码运算量小，易于实现，并且具有很好的加密效果。从此，随机算术编码为算术编码的加密开辟了一条新的途径。近年来，随着随机算术编码方法的不断成熟，人们将研究重点集中在如何获取随机算术编码的密钥，其中通过引入混沌映射获取密钥是目前的一个研究热点。混沌系统杂乱无章的变化以及在某个区间内的随机变化的特性，正好符合加密密钥的要求。2012年，代才莉等人在《重庆大学学报》杂志上发表题为“Logistic映射控制的安全算术编码及其在图像加密中的应用”一文，提出采用Logistic映射获取加密密钥的方法，但该混沌映射是一个一维映射，即映射取值只受一个初值控制，因此密钥安全性不是很高。2014年，王小龙等人在《计算机应用研究》杂志上发表题为“基于分段线性混沌映射的算术编码与加密”一文，将斜帐篷映射和Logistic映射结合对信源进行加密，该方法首先将明文序列进行分块，然后采用斜帐篷映射对明文加密，最后利用Logistic映射来实现随机算术编码。上述加密方法引入了多层加密的思想，混沌映射模型仍然采用了一维映射，密钥比较单一，易被破解。综上，本专利技术提供一种基于加权处理的三维Lorenz映射控制的二进制安全算术编码方法，其采用了三维的混沌系统，同时引入了加权的思想，增大了可用密钥的空间，使加密向量的不可预测性比低维的混沌系统更强，增加了破解难度，同时将数据压缩与加密相结合形成一个有机的整体，简化了通信系统的结构，且不损失编码的效率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于加权处理的三维Lorenz映射控制的二进制安全算术编码方法。本专利技术的目的是这样实现的：针对一维的混沌映射产生的单一加密密钥容易通过反向递推破解的问题，本专利技术提供一种基于加权处理的三维Lorenz映射控制的二进制安全算术编码方法，该方法通过增加加密密钥，有效地增强了密钥的破解难度，提高了数据加密的安全性。与本专利技术相适应的是二进制算术编码，将信源符号记为“0”和“1”。若信源为非二进制信源，则可以通过一个映射将非二进制信源转变成二进制信源。1)一种基于加权处理的三维Lorenz映射控制的二进制安全算术编码方法，该安全算术编码方法由初始值密钥(1)、权重密钥(2)、Lorenz映射(3)、算术编码器(4)、信道(5)和算术解码器(6)构成；2)工作过程如下：首先由初始值密钥(1)中的密钥Key1、Key2、Key3通过Lorenz映射(3)产生三个混沌序列x、y、z，权重密钥(2)产生密钥Key4、Key5、Key6，利用权重密钥Key4、Key5、Key6分别对三个混沌序列x、y、z进行加权并合成密钥向量k，然后将密钥向量k和长度为L的明文s送入算术编码器(4)进行编码、加密、生成密文，密文经有噪信道(5)传递至算术解码器(6)，算术解码器(6)根据密钥向量k进行密文的解码与解密，最后译出明文。本专利技术所述的一种基于加权处理的三维Lorenz映射控制的二进制安全算术编码方法，采用了三维的混沌系统，同时引入了加权的思想，该安全算术码的编码方法如下：1)设定初始值密钥Key1、Key2、Key3和权重密钥Key4、Key5、Key6的值；2)利用初始值密钥经Lorenz混沌系统产生与明文长度相等的实数值序列x、y、z；3)利用权重密钥对序列x、y、z进行加权处理并合成密钥向量k，即 k ~ = α * x + β * y + λ * z , ]]> k = | k ~ | - r o u n d ( | k ~ | ) , ]]>其中，为中间变量，x、y、z序列的权重分别为α、β、λ，并将其称为权重密钥Key4、Key5、Key6(其值可为任意实数)，round(·)表示四舍五入运算函数；4)读取密钥向量k的第i位ki和明文序列s的第i位si，其中i的初始值为0；5)当ki≤0时，运用算术编码对si进行编码；当ki＞0时，先变换si所对应的编码区间，再运用算术编码对符号si进行编码；6)i递增加1，若i＞L编码结束；否则返回到步骤4)继续编码。本专利技术所述的一种基于加权处理的三维Lorenz映射控制的二进制安全算术编码方法，所述的初始值密钥Key1、Key2、Key3的取值范围满足：-20≤Key1≤20，-30≤Key2≤30，0≤Key3≤50，以确保Lorenz系统处于混沌状态。所述的Lorenz系统是三维混沌系统，其系统动力学方程为： x j ′ 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于加权处理的三维Lorenz映射控制的二进制安全算术编码方法，其特征在于：由初始值密钥(1)、权重密钥(2)、Lorenz映射(3)、算术编码器(4)、信道(5)和算术解码器(6)构成；具体包括首先由初始值密钥(1)中的密钥Key1、Key2、Key3通过Lorenz映射(3)产生三个混沌序列x、y、z，权重密钥(2)产生密钥Key4、Key5、Key6，利用权重密钥Key4、Key5、Key6分别对三个混沌序列x、y、z进行加权并合成密钥向量k，然后将密钥向量k和长度为L的明文s送入算术编码器(4)进行编码、加密、生成密文，密文经有噪信道(5)传递至算术解码器(6)，算术解码器(6)根据密钥向量k进行密文的解码与解密，最后译出明文。

【技术特征摘要】
1.一种基于加权处理的三维Lorenz映射控制的二进制安全算术编码方法，其特征在于：由初始值密钥(1)、权重密钥(2)、Lorenz映射(3)、算术编码器(4)、信道(5)和算术解码器(6)构成；具体包括首先由初始值密钥(1)中的密钥Key1、Key2、Key3通过Lorenz映射(3)产生三个混沌序列x、y、z，权重密钥(2)产生密钥Key4、Key5、Key6，利用权重密钥Key4、Key5、Key6分别对三个混沌序列x、y、z进行加权并合成密钥向量k，然后将密钥向量k和长度为L的明文s送入算术编码器(4)进行编码、加密、生成密文，密文经有噪信道(5)传递至算术解码器(6)，算术解码器(6)根据密钥向量k进行密文的解码与解密，最后译出明文。2.根据权利要求1所述的一种基于加权处理的三维Lorenz映射控制的二进制安全算术编码方法，其特征在于：所述编码的过程包括：1)设定初始值密钥Key1、Key2、Key3和权重密钥Key4、Key5、Key6的值；2)利用初始值密钥经Lorenz混沌系统产生与明文长度相等的实数值序列x、y、z；3)利用权重密钥对序列x、y、z进行加权处理并合成密钥向量k，即 k ‾ = α * x + β * y + λ * z , ]]> k = | k ~ | - r o u n d ( | k ~ | ) , ]]>其中，为中间变量，x、y、z序列的权重分别为α、β、λ，并将其称为权重密钥Key4、Key5、Key6，round(·)表示四舍五入运算函数；4)读取密钥向量k的第i位ki和明文序列s的第i位si，其中i的初始值为0；5)当ki≤0时，运用算术编码对si进行编码；当ki＞0时，先变换si所对应的编码区间，再运用算术编码对符号si进行编码；6)i递增加1，若i＞L编码结束；否则返回到步骤4)继续编码。3.根据权利要求1所述的一种基于加权处理的三维Lorenz映射控制的二进制安全算术编码方法，其特征在于：所述的初始值密钥Key1、Key2和Key3的取值范围满足：-20≤Key1≤20，-30≤Key2≤30，0≤Key3≤50，以确保Lorenz系统处于混沌状态；所述的Lorenz系统是三维混沌系统，其系统动力学方程为： x j ′ = σ ( y j - ...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛睿，孙岩博，李超，赵旦峰，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23