一种基于组合细胞自动机的多媒体加密及解密方法技术

本发明专利技术提供一种基于组合细胞自动机的多媒体加密及解密方法，属于多媒体加密领域。本发明专利技术加密方法包括如下步骤：伪随机数发生器生成两个随机序列；数据预处理步骤；构建可逆细胞自动机步骤；细胞自动机演化步骤和判断步骤：判断加密的密文是否符合雪崩效应，如果否，则采用细胞自动机继续演化，如果是，停止演化，得到明文的密文，本发明专利技术还提供一种与所述多媒体加密方法相对应的解密方法。本发明专利技术使用细胞自动机来进行多媒体加密，具有简单、易编程的特点，可以很好的将明文数据与加密密钥相关联，安全性更高，有效地提高了加密算法的安全性和加密的效率。

A method of multimedia encryption and decryption based on Cellular Automata

The invention provides a multimedia encryption and decryption method based on a combined cellular automaton, which belongs to the field of multimedia encryption. The encryption method comprises the following steps: pseudo random number generator to generate two random sequences; data preprocessing; construction of reversible cellular automaton steps; cellular automaton evolution steps and judgment of the following steps: judging whether the ciphertext encrypted with the avalanche effect, if not, the cellular automaton to continue the evolution, if yes, stop evolution, get the plaintext the invention also provides a ciphertext decryption method and the corresponding multimedia encryption method. The invention using the cellular automaton for multimedia encryption, which is simple, easy to program, can be associated with the plaintext data encryption key, higher security, effectively improve the efficiency of encryption algorithm security and encryption.

【技术实现步骤摘要】
一种基于组合细胞自动机的多媒体加密及解密方法
本专利技术涉及多媒体加密领域，尤其涉及一种基于组合细胞自动机的多媒体加密方法，还涉及一种与所述多媒体加密方法相对应的解密方法。
技术介绍
近年来，随着计算机网络与技术的快速发展，各行各业都开始更多的运用计算机技术，这其中就包括信息产业。人们的通信方式变得越来越多样化，并且越来越便捷，“信息”已经不再仅仅意味着简单的文字交流，如今图片、音频、视频等也是人们所常用的交流手段，这些多媒体信息已经深入到我们的日常生活中。然而，在交流变得便捷的同时，因为网络传输中的开放性，多媒体信息很容易被泄露。对于一些比较重要的多媒体数据，在传输的时候，我们需要对其安全性进行保障，以免被一些别有用心的攻击者截取或者损坏。与传统的文本信息不同，音频与图像数据量大、数据之间的冗余度高，传统的加密方法并不太适用于对其加密。所以，设计出一种适用于音频数据与图像数据的加密手段也变得非常重要。
技术实现思路
为解决现有技术中的多媒体数据加密不够完善，不够安全的问题，本专利技术提供一种基于组合细胞自动机的多媒体加密方法，还提供一种与所述多媒体加密方法相对应的解密方法。本专利技术基于组合细胞自动机的多媒体加密方法包括如下步骤：S1：伪随机数发生器生成两个随机序列key1和key2；S2：数据预处理：将数据处理为二维数据，数据不够的地方，使用key1对其填满；S3：构建可逆细胞自动机：使用key1对明文C0加密一次得到C1，将C0和C1作为初始加密数据，以构建可逆细胞自动机；S4：细胞自动机演化：从key1中选取两部分，作为细胞自动机的加密规则号r1，r2，得到全局演化函数G，使得Ct+1＝G(Ct,Ct-1)，并使用key1对边界进行填满，使用key2来控制细胞自动机的演化模型，对C0和C1进行演化操作，分别得到密文Cn以及尾数据Cn+1，其中，t为时间点，n为演化次数的两倍；S5：判断Cn是否符合雪崩效应，如果否，则采用细胞自动机继续演化，如果是，停止演化，得到明文C0的密文Cn。本专利技术作进一步改进，在步骤S4中，演化操作执行前，还包括置乱步骤：通过置乱操作方法对C0和C1进行置乱操作。本专利技术作进一步改进，所述置乱操作方法包括Arnold算法或Baker算法。本专利技术作进一步改进，在步骤S1中，所述伪随机数发生器的处理方法包括如下步骤：S11：随机生成2l位比特流种子，设定时间点参数t＝0；S12：将种子平均分为长度为l的两部分，作为初始值存储在A(-1)和A(0)中；S13：由A(t-1)决定时间点t、位置i的细胞状态Si(t)中使用的规则和应用的细胞；S14：按照规则生成下一个状态A(t+1)，A(t)、A(t-1)被演进，时间点t增加1；S15：判断t是否大于用于产生所需伪随机数长度的重复计数器R，如果否，返回执行步骤S12，如果是，结束进化，产生最终的随机序列A＝A(1)A(2)……A(R)。本专利技术作进一步改进，选取明文数据C0的一部分数据作为伪随机数发生器的初始数据，所述随机序列key1和key2的长度为128位。本专利技术作进一步改进，在步骤S2中，对于图像数据，假设像素值为n×m，每个像素点取值是0-255，将每个像素点转换成8位二进制串，则矩阵大小为n×m×8；对于音频数据，将连续的二进制串转换成长n与宽m相差最小的矩阵，并且对于缺少数据的地方，使用随机序列key1中的值将其填满。本专利技术作进一步改进，在步骤S4中，从key1中截取前后各64位，作为规则号r1，r2，所述演化操作方法为：从首位开始，如果key2中该位值为0，则对应的细胞单元使用X型模型以及规则号r1进行加密，如果为1，则使用二维冯诺依曼型模型以及规则号r2进行加密。本专利技术作进一步改进，将所述C0和C1分割为多个部分，并行演化操作，在步骤S5中，将得到的分割密文合并为整体的密文Cn。本专利技术还提供一种与所述多媒体加密方法相对应的解密方法，包括如下步骤：B1：将密文数据Cn以及Cn+1转化成二进制矩阵；B2：根据规则号r1，r2就可以得到逆演化函数G＇，使Ct-1＝G＇(Ct,Ct+1)；B3：使用key2控制，将Cn和Cn+1作为初始数据，对细胞自动机做逆演化操作，经过与加密演化操作相同的次数，得到C0和C1；B4：数据处理，将C0中用key1添加进去的数据去掉，再转化为初始状态。本专利技术作进一步改进，如果在加密过程中，演化操作执行前，通过置乱操作方法对C0和C1进行置乱操作，那么，步骤B3中，在细胞自动机作逆演化操作，还包括执行置乱操作的逆运算。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：创新的使用组合细胞自动机模型来进行演化，通过随机序列来控制，而不是以往常用的单一细胞自动机，因此更为安全；创新的使用二维非线性细胞自动机随机数生成器与多媒体加密相结合，使得随机数的生成与明文相关，对于不同的明文产生的随机数不同，相对应加密的秘钥也不同，更为安全；创新的提出了一种使用随机序列来生成随机边界的细胞自动机算法，对比以往的周期型和反射型边界效果更好；创新的将细胞自动机加密算法应用在音频加密上，并取得了良好的成果。附图说明图1-图6为细胞自动机邻域模型；图7为本专利技术加密方法流程图；图8为伪随机数发生器处理方法流程图；图9为解密方法流程图；图10为lena图像的灰度图像；图11和图12分别为加密和解密后的图像；图13为加密前音频波形图；图14为音频加密后波形图；图15为图13局部放大图；图16为图14局部放大图；图17为解密后的音频波形图；图18和图19分别为采用key1改变一位后的key'1加密和解密图像；图20为加密前的lena图像直方图；图21为加密后的lena图像直方图；图22和图23分别为原始图像和加密图像水平方向像素相关度；图24和图25分别为原始图像和加密图像垂直方向像素相关度；图26和图27分别为原始图像和加密图像对角线方向像素相关度。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步详细说明。本专利技术基于组合细胞自动机来实现，首先对用到的组合细胞机进行说明。细胞自动机是由一组细胞单元的阵列组成的，可以是一维也可以是多维。在该阵列中，每个细胞都处于某种特定的状态，在下一时刻，每个细胞的值由对应的函数规则以及各时刻的邻域状态所决定。细胞自动机是一种有限自动机，其具有动力学特征，并有在时间与空间以及状态上离散的特点，其规则简单、实现起来容易。也正是因为这些优良的特性，使得细胞自动机很适合用于加密。细胞自动机的细胞也可以称为单元或者元胞，是组成细胞自动机的基本单位。细胞自动机在不同空间维度上有不同的结构，例如在一维的空间上，细胞自动机就可以看做一条直线，所有节点都分布在这条直线上，每个细胞的邻居细胞就是其左右半径为r的细胞集。而在二维平面上的网格，如果使用细胞自动机来对其进行分析，则每一个节点就可以看做是一个细胞，整个网格就是细胞自动机的空间。细胞自动机可以存在于任意维度，但是考虑到计算复杂度等问题，目前实际使用较多的仍然是一维和二维的细胞自动机。细胞自动机每个单元的可能值是一系列有限状态的集合，根据相对应的规则在每个离散的时间点改变自己的状态值，每一个单元下一时刻的状态取决于当前时刻其自身的状态值和其邻居细胞的状态值以及状态转移规则。状本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于组合细胞自动机的多媒体加密方法，其特征在于包括如下步骤：S1：伪随机数发生器生成两个随机序列key1和key2；S2：数据预处理：将数据处理为二维数据，数据不够的地方，使用key1对其填满；S3：构建可逆细胞自动机：使用key1对明文C0加密一次得到C1，将C0和C1作为初始加密数据，以构建可逆细胞自动机；S4：细胞自动机演化：从key1中选取两部分，作为细胞自动机的加密规则号r1，r2，得到全局演化函数G，使得Ct+1＝G(Ct,Ct‑1)，并使用key1对边界进行填满，使用key2来控制细胞自动机的演化模型，对C0和C1进行演化操作，分别得到密文Cn以及尾数据Cn+1,其中，t为时间点，n为演化次数的两倍；S5：判断Cn是否符合雪崩效应，如果否，则采用细胞自动机继续演化，如果是，停止演化，得到明文C0的密文Cn。

【技术特征摘要】
1.一种基于组合细胞自动机的多媒体加密方法，其特征在于包括如下步骤：S1：伪随机数发生器生成两个随机序列key1和key2；S2：数据预处理：将数据处理为二维数据，数据不够的地方，使用key1对其填满；S3：构建可逆细胞自动机：使用key1对明文C0加密一次得到C1，将C0和C1作为初始加密数据，以构建可逆细胞自动机；S4：细胞自动机演化：从key1中选取两部分，作为细胞自动机的加密规则号r1，r2，得到全局演化函数G，使得Ct+1＝G(Ct,Ct-1)，并使用key1对边界进行填满，使用key2来控制细胞自动机的演化模型，对C0和C1进行演化操作，分别得到密文Cn以及尾数据Cn+1,其中，t为时间点，n为演化次数的两倍；S5：判断Cn是否符合雪崩效应，如果否，则采用细胞自动机继续演化，如果是，停止演化，得到明文C0的密文Cn。2.根据权利要求1所述的多媒体加密方法，其特征在于：在步骤S4中，演化操作执行前，还包括置乱步骤：通过置乱操作方法对C0和C1进行置乱操作。3.根据权利要求2所述的多媒体加密方法，其特征在于：所述置乱操作方法包括Arnold算法或Baker算法。4.根据权利要求1-3任一项所述的多媒体加密方法，其特征在于：在步骤S1中，所述伪随机数发生器的处理方法包括如下步骤：S11：随机生成2l位比特流种子，设定时间点参数t＝0；S12：将种子平均分为长度为l的两部分，作为初始值存储在A(-1)和A(0)中；S13：由A(t-1)决定时间点t、位置i的细胞状态Si(t)中使用的规则和应用的细胞；S14：按照规则生成下一个状态A(t+1)，A(t)、A(t-1)被演进，时间点t增加1；S15：判断t是否大于用于产生所需伪随机数长度的重复计数器R，如果否，返回执行步骤S12，如果是，结束进化，产生最终的随机序...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭安基，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44