基于二维离散余弦变换和二维混沌映射图像加密方法技术

本发明专利技术属于信息安全和光信息处理技术领域，为增大密钥空间，增大破译难度，从而提高加密图像的质量，并且加密方法简单易行，便于操作。本发明专利技术采用的技术方案是，基于二维离散余弦变换和二维混沌映射图像加密方法，步骤如下：密钥的生成步骤：采用的两块随机相位模板由选取初值和控制参数不同的二维Ushiki混沌映射产生，选取的初值和控制参数作为加密系统的密钥；图像加密步骤：借助基于4傅立叶变换双随机相位编码系统实现；图像解密步骤：将得到的加密图像作与图像加密过程对称的逆运算得到解密图像。本发明专利技术主要应用于信息安全和光信息处理场合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于信息安全和光信息处理
，涉及一种基于离散余弦变换和二维混沌映射的图像加密方法。
技术介绍
当代，随着计算机技术的迅速发展和网络通信的广泛应用，信息全球化成为了当代的一个重要课题。世界各地的信息每天都在网络上传播和交换，在这个过程中的信息安全问题越来越突出，人们越来越注重对自己信息的保护，防止这些信息被盗取、非法复制、传播、甚至篡改，对信息进行加密就显得尤为重要了。近年来，利用光学方法进行数字图像加密引起了人们的极大兴趣(见文献[1])。1995年，美国两位专家Refregier和Javidi提出了一种基于4-f系统(傅立叶变换)的双随机相位编码技术(如图1所示)，即他们在光学系统的输入面和频域面分别放置一块全透明的具有很高分辨率的塑料板也就是随机相位模板，加密后的图像是统计特性不随时间变化的均匀白噪声，使人们完全看不出加密后的图像的模样，这对光学加密领域具有历史性的意义[2]。2000年印度和北爱尔兰的专家把这种技术从傅里叶变换域拓展到分数傅里叶[3]。同年哈尔滨工业大学的刘树田教授等通过增加分数的傅里叶变换周期为系统的密钥以及多级重复操作去得了很好的效果[4]。2010年南昌大学的吴建华和周南润教授提出用一维的离散余弦变换进行图像加密。一般随机相位模板由一维混沌函数产生，本专利技术采用二维混沌映射，增大了密钥空间，增大了破译难度[5]。参考文献：[1]O.Matoba,T.Nomura,E.Perez-Cabre,M.Millan,andB.Javidi,Opticaltechniquesforinformationsecurity,ProceedingsofIEEE2009,97:1128-1148[2]P.RéfrégierandB.Javidi,OpticalimageencryptionbasedoninputplaneandFourierplanerandomencoding,Opt.Lett.,1995,20:767-769[3]G.Unnikrishan,J.Joseph,andK.Singh,Opticalencryptionbydouble-randomphaseencodinginthefractionalFourierdomain,Opt.Lett.,25,887-889(2000)[4]B.zhu,S.Liu,andQ.Ran,OpticalimageencryptionbasedonmultifractionalFouriertransform,Opt.Lett.,25,1159-1161(2000)[5]JianhuaWu,LinzhangandNanrunZhouImageencryptionbasedonthemultiple-orderdicretefractionalcosinetransform,Opt.commun.,283,1720-1725(2010)
技术实现思路
为克服现有技术的不足，本专利技术旨在增大密钥空间，增大破译难度，从而提高加密图像的质量，并且加密方法简单易行，便于操作。本专利技术采用的技术方案是，基于二维离散余弦变换和二维混沌映射图像加密方法，步骤如下：密钥的生成步骤：采用的两块随机相位模板由选取初值和控制参数不同的二维Ushiki混沌映射产生，选取的初值和控制参数作为加密系统的密钥；图像加密步骤：将原灰度图像和两块由二维Ushiki混沌映射产生的混沌随机相位模板对应放在基于傅立叶变换4-f系统的双随机相位编码中，将原灰度图像与第一块由二维Ushiki混沌映射产生的随机相位模板相乘作二维离散余弦变换，得到的图像与第二块Ushiki混沌映射产生的混沌随机相位模板作二维离散余弦变换的逆运算得到加密图像；图像解密步骤：将得到的加密图像作与图像加密过程对称的逆运算得到解密图像，具体步骤为：加密图像与第二块Ushiki混沌映射产生的混沌随机相位模板的复共轭模板相乘作二维离散余弦变换，得到图像与第一块Ushiki混沌映射产生的混沌随机相位模板复共轭模板相乘，再对此结果作二维离散余弦变换的逆运算得到解密图像。二维Ushiki混沌映射公式：其中，b＝0.1,c＝0.2,a∈[2.5,3.8]，n代表迭代次数，n∈N，N为自然数集，xn，yn代表迭代n次后得到的序列，xn+1，yn+1代表迭代n+1次后得到的序列，二维混沌映射的初值x0，y0和控制参数a,b,c作为加密方法的密钥，因此便于密钥的管理和传输，增大了密钥空间。本专利技术的特点及有益效果是：本专利技术提供的图像加密系统中，采用二维Ushiki离散混沌映射产生混沌随机相位模板，与传统的由一维混沌映射产生的混沌随机相位模板相比，具有更多的参数，随机性更好，密钥空间更大。二维Ushiki混沌映射的初值和控制参数作为加密系统的密钥，因此便于密钥的管理和传输。附图说明：图1基于4-f系统的双随机相位编码技术示意图。图2本专利技术提供的图像加、解密过程图。图2(a)为本专利技术提供的图像加密过程图；图2(b)为本专利技术提供的图像解密过程图；图3原始图像、加密图像、解密图像对比示意图，图3(a)原灰度图像；图3(b)为本系统加密的图像；图3(c)为所有密钥均正确时的解密图像；图4为部分参数错误对比图。图4(a)为第一块混沌随机相位模板参数x2错误，偏移△x2＝1e-15，其它密钥均正确时的解密图像；图4(b)第一块混沌随机相位模板参数y2错误，偏移△y2＝1e-15，其它密钥均正确时的解密图像；图4(c)第一块混沌随机相位模板参数a2错误，偏移△a2＝1e-15，其它密钥均正确时的解密图像；图5从各种噪声中解密图像示意图。图5(a)为从含有强度为5％高斯噪声的加密图中解密得到的图像；图5(b)为从含有强度为10％椒盐噪声的加密图中解密得到的图像；图5(c)为从含有强度为10％散斑噪声的加密图中解密得到的图像；图5(d)为从含有强度为20％散斑噪声的加密图中解密得到的图像；图5(e)为从含有强度为30％散斑噪声的加密图中解密得到的图像。具体实施方式基于4-f系统的双随机编码技术中，一般的随机相位模板由一维混沌函数产生，本专利技术采用二维Ushiki混沌映射，增大了密钥空间，增大了破译难度，从而提高了加密图像的质量，并且加密方法简单易行，便于操作。二维Ushiki混沌映射的初值和控制参数作为加密系统的密钥，因此便于密钥的管理和传输。本专利技术基于离散余弦变换和二维混沌映射的加密系统，主要有三部分组成:密钥的产生、图像加密、图像解密。1.密钥的产生本专利技术提供的加密系统中，两块随机相位模板由二维混沌映射Ushiki选取不同的初值和控制参数来产生。2.图像加密将原灰度图像和两块由混沌函数产生的混沌随机相位模板对应放在基于4-f系统的双随机相位编码系统中，将原灰度图像与第一块由二维Ushiki混沌映射产生的混沌随机相位模板相乘作二维离散余弦变换，得到的图像与第二块Ushiki混沌映射产生的混沌随机相位模板作二维离散余弦变换的逆运算得到加密图像。3.图像解密将得到的加密图像(一个类噪声的图像)作与图像加密对称的逆运算得到解密图像，具体步骤为加密图像与第二块Ushiki混沌映射产生的混沌随机相位模板的复共轭模板相乘作二维离散余弦变换，得本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于二维离散余弦变换和二维混沌映射图像加密方法，其特征是，步骤如下：密钥的生成步骤：采用的两块随机相位模板由选取初值和控制参数不同的二维Ushiki混沌映射产生，选取的初值和控制参数作为密钥；图像加密步骤：将原灰度图像和两块由二维Ushiki混沌映射产生的混沌随机相位模板对应放在基于4‑f系统的双随机相位编码中，将原灰度图像与第一块由二维Ushiki混沌映射产生的随机相位模板相乘作二维离散余弦变换，得到的图像与第二块Ushiki混沌映射产生的混沌随机相位模板作二维离散余弦变换的逆运算得到加密图像；图像解密步骤：将得到的加密图像作与图像加密过程对称的逆运算得到解密图像，具体步骤为：加密图像与第二块Ushiki混沌映射产生的混沌随机相位模板的复共轭模板相乘作二维离散余弦变换，得到图像与第一块Ushiki混沌映射产生的混沌随机相位模板复共轭模板相乘，再对此结果作二维离散余弦变换的逆运算得到解密图像。

【技术特征摘要】
1.一种基于二维离散余弦变换和二维混沌映射图像加密方法，其特征是，步骤如下：密钥的生成步骤：采用的两块随机相位模板由选取初值和控制参数不同的二维Ushiki混沌映射产生，选取的初值和控制参数作为密钥；图像加密步骤：将原灰度图像和两块由二维Ushiki混沌映射产生的混沌随机相位模板对应放在基于4-f系统的双随机相位编码中，将原灰度图像与第一块由二维Ushiki混沌映射产生的随机相位模板相乘作二维离散余弦变换，得到的图像与第二块Ushiki混沌映射产生的混沌随机相位模板作二维离散余弦变换的逆运算得到加密图像；图像解密步骤：将得到的加密图像作与图像加密过程对称的逆运算得到解密图像，具体步骤为：加密图像与第二块Ushiki混沌映射产生的混沌随机相...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐晨，谷帆，苏永钢，程佳佳，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12