基于映像网络的数字图像反馈加密方法技术
【技术实现步骤摘要】
基于映像网络的数字图像反馈加密方法
本专利技术涉及信息技术安全领域，具体涉及基于映像网络的数字图像反馈加密方法。
技术介绍
当今是一个信息化时代。有关科学研究和统计表明，人类从外界获得的信息约有75％是源于图像。网络环境下传输图像，容易遭到第三方窃取、篡改、非法复制和传播。因此，图像的安全传输与加密问题是一直受到人们的关注。置乱和扩散是实现图像加密算法安全性的基本原则。按照加密手段，加密方法大致可以分为：基于传统密码体制的加密方法，基于置乱变换的加密方法，基于混沌理论的加密方法等。数字图像，是二维图像用有限数字数值像素的表示。其特点是数据量大、数据冗余度高及相邻像素点相关性强，这使得一些传统的加密方法如DES、IDEA、AES等，在对数字图像进行快速置乱和扩散操作时非常困难。基于置乱变换的加密方法是通过变换来置乱图像像素位置的加密技术。现阶段关于数字图像置乱变换的方法有很多，常见的有仿射变换、Arnold变换、Standard映射、Fibonacci-Q变换、Baker变换等，这些变换均是二维变换，置乱效率和置乱程度不高，要想达到较好的置乱效果，往往需要进行多次操...
【技术保护点】
一种基于映像网络的数字图像反馈加密方法，其特征在于，具体包括以下步骤：1)、对于像素为h×w、灰度级水平为G的数字明文图像，获得它的二维像素值矩阵PI_1,并将二维像素值矩阵PI_1转化为大小为t×t×t的三维像素值矩阵PI_2；将三维像素值矩阵PI_2对应的图像作为当前明文图像；2)、构建节点是超混沌系统、具有非近邻连接方式的映像网络；选取映像网络的初始条件和网络控制参数，迭代映像网络产生多维时空混沌陈列{xn(i)}、{yn(i)}、{zn(i)}，n为时刻，i为映像网络的节点；3)、根据当前明文图像获取时刻n0；结合n0和步骤2)中获得的多维时空混沌阵列{xn(i)}...
【技术特征摘要】
1.一种基于映像网络的数字图像反馈加密方法，其特征在于，具体包括以下步骤：1)、对于像素为h×w、灰度级水平为G的数字明文图像，获得它的二维像素值矩阵PI_1,并将二维像素值矩阵PI_1转化为大小为t×t×t的三维像素值矩阵PI_2；将三维像素值矩阵PI_2对应的图像作为当前明文图像；2)、构建节点是超混沌系统、具有非近邻连接方式的映像网络；选取映像网络的初始条件和网络控制参数，迭代映像网络产生多维时空混沌陈列{xn(i)}、{yn(i)}、{zn(i)}，n为时刻，i为映像网络的节点；3)、根据当前明文图像获取时刻n0；结合n0和步骤2)中获得的多维时空混沌阵列{xn(i)}、{yn(i)}、{zn(i)}，获取图像置乱的混沌控制参数；4)、根据步骤3获取的图像置乱的混沌控制参数，通过三维Arnold变换对当前明文图像进行置乱处理，得到置乱后图像的像素值矩阵PI_3；将PI_3存入置乱序列{Φ1(j)}；将三维像素值矩阵PI_3对应的图像作为当前明文图像；5)、根据当前明文图像获取指标τ；结合指标τ和步骤2)中获得的多维时空混沌阵列{xn(i)}、{yn(i)}、{zn(i)}，产生密钥流{K(j)}；对步骤4)获取的置乱序列{Φ1(j)}，利用密钥流{K(j)}进行密文反馈机制的图像扩散处理，得到扩散后的像素值序列{C(j)}；将{C(j)}存入三维像素值矩阵PI_2；将三维像素值矩阵PI_2对应的图像作为当前明文图像；6)、重复步骤3)-步骤5)M轮，将每轮获取的指标τ存入序列{τ}，将每轮获取的时刻n0存入序列{n0}，将最后一轮得到的扩散后的像素值序列{C(j)}存至二维矩阵像素值矩阵PI_4，按照图像标准格式保存PI_4，得到密文图像。2.一种基于映像网络的数字图像反馈加密方法，其特征在于，解密过程具体包括以下步骤：7)、从密文图像中获取二维像素值矩阵CI_1,将二维像素值矩阵CI_1存入像素值序列{C1(j)}；8)、构建节点是超混沌系统、具有非近邻连接方式的映像网络；使用步骤2)选取的映像网络的初始条件和网络控制参数，迭代映像网络产生多维时空混沌陈列{xn(i)}、{yn(i)}、{zn(i)}，n为时刻，i为映像网络的节点；9)、获取步骤6)中的序列{τ}，取其最后一个元素作为当前τ的取值；同时，获取步骤6)中的序列{n0}，取其最后一个元素作为当前n0的取值；10)、结合当前τ的取值和步骤8)获取的多维时空混沌阵列{xn(i)}、{yn(i)}、{zn(i)}，产生消除图像扩散效果的密钥流{K(j)}；对像素值序列{C1(j)}，利用密钥流{K(j)}进行密文反馈机制的图像像素值替换，得到消除扩散后的像素值序列{Φ2(j)}；将消除扩散后的像素值序列{Φ2(j)}存入三维像素值矩阵CI_2；11)、结合当前n0的取值和步骤8)中获得的时空混沌阵列{xn(i)}、{yn(i)}、{zn(i)}，获取消除图像置乱效果的混沌控制参数；根据获取的混沌控制参数，对步骤10)获取的三维像素值矩阵CI_2进行加密过程中三维Arnold变换的逆三维Arnold变换，获得逆三维Arnold变换后的三维像素矩阵CI_3；将三维像素值矩阵CI_3存入像素值序列{C1(j)}，实现对序列{C1(j)}的更新；12)、重复步骤10)-步骤11)M轮，按照逆序依次取序列{τ}中元素作为每轮中当前τ的取值；按照逆序依次取序列{n0}中元素作为每轮中当前n的取值；将最后一轮得到的像素值序列{C1(j)}存入二维像素值矩阵CI_4中；按照图像标准格式保存二维像素值矩阵CI_4，得到解密图像。3.根据权利要求1所述的基于映像网络的数字图像反馈加密方法，其特征在于，所述步骤2)中所述的节点是超混沌系统、具有非近邻连接方式的映像网络用式(1)表示：式中，n为时刻，n＝1，2，......，N，N为时间的长度，1000≤N≤3000，i为映像网络的节点，i＝1，2，…，L，L为映像网络的节点数，50≤L≤200；Tn(i)＝(xn(i),yn(i),zn(i))T∈R3为节点i在时刻n的状态变量，局部映射F:R3→R3为三维Folded-towel超混沌系统，其具体形式为式(2)：集合具体由式(3)所示的三维Arnold变换决定：其中为三维Arnold变换中经典的常数变换矩阵，mod(·)表示求余运算；映像网络具有周期边界，即xn(L)＝xn(0)，ε,a,b为网络控制参数；所述的选取映像网络的初始条件和控制参数，迭代映像网络产生多维时空混沌陈列{xn(i)}、{yn(i)}、{zn(i)}，具体包括如下步骤：21)选取如式(4)所示的三维Folded-towel超混沌系统：其中x(n)、y(n)、z(n)表示三维Folded-towel超混沌系统在时刻n的状态变量，a1＝3.8,b1∈[-1.57,1.02]；给定初始条件x(1)∈[0,1],y(1)∈[0,1],z(1)∈[0,1],迭代三维Folded-towel超混沌系统；分别取x(m0+i)、y(m0+i)、z(m0+i)，i＝1,2…,L作为映像网络的初始条件x1(i)、y1(i)、z1(i)，i＝1,2…,L，m0∈[100,200]；22)选取网络控制参数ε∈(0,0.3)，a＝3.8,b∈[-1.57,1.02]；23)迭代映像网络，产生多维时空混沌阵列{xn(i)}、{yn(i)}、{zn(i)}。4.根据权利要求1所述的基于映像网络的数字图像反馈加密方法，其特征在于，所述步骤3)中所述的根据当前明文图像获取时刻n0，具体是：n0＝fix(mod(arctan(PI_2(0,0,0))×212,256))+150，其中arctan(·)表示反正切运算，fix(·)表示取整运算；所述的结合n0和步骤2)中获得的多维时空混沌阵列{xn(i)}、{yn(i)}、{zn(i)}，获取的图像置乱的混沌控制参数，具体为：i0可取1～10的整数。5.根据权利要求1所述的基于映像网络的数字图像反馈加密方法，其特征在于，所述步骤4)包括如下步骤：41)根据步骤3)获取的图像置乱的混沌控制参数，通过式(6)所示的三维Arnold变换对当前明文图像的像素值矩阵PI_2进行置乱处理，获得置乱后的图像像素值矩阵PI_3：其中(x,y,z)T与(x′,y′,z′)T与分别表示三维Arnold变换前与变换后图像像素的坐标，t表示图像的阶数，置乱矩阵A由式(7)表示：其中，ai,i＝1,2,…,6,为图像置乱的混沌控制参数，由式(5)决定：i0可取1～10的整数，n0表示时空混沌阵列{xn(i)}的...
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