基于多参数分数阶变换和半张量积的图像加密方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术实施例提供了基于多参数分数阶变换和半张量积的图像加密方法及装置。方法包括：对待加密图像的像素，使用置乱矩阵改变其像素的位置，得到空域置乱图像；按照预设规则对所述空域置乱图像进行相位编码和多参数离散分数阶变换，得到变换图像；生成一个维度是所述变换图像的维度的因数且不等于1的方阵，作为密钥矩阵；将所述变换图像，按照所述密钥矩阵的维度均匀分成多个子矩阵；将密钥矩阵分别与每个子矩阵进行半张量积运算，得到每个子矩阵的运算结果；将所述多个子矩阵的运算结果进行整合，得到加密图像。本发明专利技术实施例结合空域置乱、分数域变换和半张量积理论对数字图像进行加密，提高了加密图像对抗统计攻击、噪声攻击和像素丢失的能力。

Image encryption method and device based on multi parameter fractional order transformation and semi tensor product

An embodiment of the invention provides an image encryption method and device based on a multi - parameter fractional order transformation and a semi - tensor product. The method includes: to encrypt image pixels, using pixel scrambling matrix to change its position, get the spatial scrambling image; according to the preset rules on the spatial scrambling image phase encoding and multi parameter discrete fractional Fourier transform, obtain image; create a dimension is the factor of the transformation of the image dimensions and not equal to 1 of the square, as a key matrix; the image transform, according to the key dimensions of the uniform matrix into multiple sub matrix; the key matrix respectively and each sub matrix semi tensor product from each sub matrix calculation results; the results of the plurality of sub matrix operations are integrated by encryption image. The embodiment of the invention encrypts the digital image with the combination of the spatial scrambling, the fractional domain transformation and the semi tensor product theory, and improves the ability of the encrypted image to resist statistical attacks, noise attacks and pixel loss.

【技术实现步骤摘要】
基于多参数分数阶变换和半张量积的图像加密方法及装置
本专利技术涉及图像加密
，特别是涉及基于多参数分数阶变换和半张量积的图像加密方法及装置。
技术介绍
随着互联网技术与图像处理技术的飞速发展，数字图像可以在网络上方便、快捷地传输，但这同时也带来了图像信息安全隐患问题。而由于数字图像的像素间具有很高的相关性、冗余性等特征，传统的基于文本的加密方法不再适用于数字图像的加密处理。数字图像加密技术成为一个实用又亟待发展的技术。现有的图像加密方法主要分为两大类：基于空域的加密算法和基于变换域的加密算法。基于空域的图像加密算法是，通过一种方法生成一伪随机序列，基于该伪随机序列对数字图像进行置乱处理，从而得到密图；基于变换域的图像加密方法是，通过一种数学变换，将待加密的数字图像变换为一个由一组相互正交的矩阵构成的线性表达式，将该表达式中各个矩阵的系数作为加密图像中各个像素点的像素值，从而得到加密图像。然而，现有的基于空域的图像加密方法只改变像素的位置，并不改变原始的像素值，导致安全性往往不高。而且，空域置乱得到的密图在传输过程中受到噪声攻击或是部分密图丢失都会严重降低解密图像的质量。基于变换域的图像加密方法的数学变换方式可能存在周期性，导致一种数学变换方式存在多个解密密钥，同时可选择的数学变换方式较少，从而使得解密图容易被破解，无法确保数字图像的安全传输。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的在于提供基于多参数分数阶变换和半张量积的图像加密方法及装置，以实现安全有效地加密数字图像。具体技术方案如下：本专利技术提供的基于多参数分数阶变换和半张量积的图像加密方法，所述方法包括：对待加密图像的像素，使用置乱矩阵改变其像素的位置，得到空域置乱图像；按照预设规则对所述空域置乱图像进行相位编码和多参数离散分数阶变换，得到变换图像；生成一个维度是所述变换图像维度的因数且不等于1的方阵，作为密钥矩阵；将所述变换图像，按照所述密钥矩阵的维度均匀分成多个子矩阵；将密钥矩阵分别与每个子矩阵进行半张量积运算，得到每个子矩阵的运算结果；将所述多个子矩阵的运算结果进行整合，得到加密图像。进一步的，所述按照预设规则对所述空域置乱图像进行相位编码和多参数离散分数阶变换，得到变换图像，包括：生成一个维度与所述空域置乱图像的维度相等的矩阵，作为相位掩膜；生成一个长度与所述空域置乱图像的列维度相等的向量，并以该向量的各元素作为参数，生成多参数离散分数阶算子；按照下式对空域置乱图像进行处理，得到变换图像：其中I为所述空域置乱图像，O为所述变换图像，j为复数单位，π为圆周率，α为所述相位掩膜，为多参数离散分数阶算子。进一步的，所述将密钥矩阵分别与每个子矩阵进行半张量积运算，得到每个子矩阵的运算结果，包括：将密钥矩阵分别与每个子矩阵按照下式进行半张量积运算，得到每个子矩阵的运算结果：式中S为所述密钥矩阵，为半张量积运算符，Q为所述子矩阵，Rowi(S)为矩阵S的第i行，Coli(Q)为矩阵Q的第i列，N为所述子矩阵的列维度，M为所述密钥矩阵的维度。进一步的，在所述对待加密图像，使用置乱矩阵改变其像素的位置之前，还包括：利用待加密图像的四个顶点的像素值对预设的混沌系统的四个系统状态变量进行初始化；迭代所述混沌系统，从第预设数目次迭代开始保存每次迭代输出的所述四个系统状态变量的数值；利用保存的所述数值，生成第一数目个预设长度的伪随机序列，停止迭代；对每个所述伪随机序列，通过记录所述伪随机序列内的各元素的大小次序，生成伪随机的地址序列；将生成的两个所述伪随机的地址序列，分别作为置乱矩阵非零元素的行指标序列和列指标序列以生成一个新的置乱矩阵，直至生成第二数目个置乱矩阵。进一步的，所述按照预设规则对所述空域置乱图像进行相位编码和多参数离散分数阶变换，得到变换图像，还包括：生成两个维度与所述空域置乱图像的维度相等的矩阵，分别作为第一相位掩膜和第二相位掩膜；生成两个长度与所述空域置乱图像的列维度相等的向量，分别利用两个向量中的元素作为参数，生成第一多参数离散分数阶算子和第二多参数离散分数阶算子；利用第一相位掩膜和第一多参数离散分数阶算子对所述空域置乱图像进行相位编码和多参数离散分数阶变换，得到过渡图像；利用第二相位掩膜和第二多参数离散分数阶算子对所述过渡图像进行相位编码和多参数离散分数阶变换，得到变换图像。基于多参数分数阶变换和半张量积的图像加密装置，包括：置乱模块，用于对待加密图像的像素，使用置乱矩阵改变其像素的位置，得到空域置乱图像；变换模块，用于按照预设对所述空域置乱图像进行相位编码和多参数离散分数阶变换，得到变换图像；密钥模块，用于生成一个维度是所述变换图像维度的因数的方阵，作为密钥矩阵；子矩阵模块，用于将所述变换图像，按照所述密钥矩阵的维度均匀分成多个子矩阵；半张量积模块，用于将密钥矩阵分别与每个子矩阵进行半张量积运算，得到每个子矩阵的运算结果；整合模块，将所述多个子矩阵的运算结果进行整合，得到加密图像。进一步的，所述变换模块，包括：掩膜单元，用于生成一个维度与所述空域置乱图像的维度相等的矩阵，作为相位掩膜；算子单元，用于生成一个长度与所述空域置乱图像的维度相等的向量，并以该向量的各元素作为参数，生成多参数离散分数阶算子；变换单元，按照下式对空域置乱图像进行处理，得到变换图像：式中I为所述空域置乱图像，O为所述变换图像，j为复数单位，π为圆周率，α为所述相位掩膜，为多参数离散分数阶算子。进一步的，所述半张量积模块，具体用于：将密钥矩阵分别与每个子矩阵按照下式进行半张量积运算，得到每个子矩阵的运算结果：式中S为所述密钥矩阵，为半张量积运算符，Q为所述子矩阵，Rowi(S)为矩阵S的第i行，Coli(Q)为矩阵Q的第i列，N为所述子矩阵的列维度，M为所述密钥矩阵的维度。进一步的，所述装置，还包括：初始化模块，用于利用待加密图像的四个顶点的像素值对预设的混沌系统的四个系统状态变量进行初始化；迭代模块，用于迭代所述混沌系统，从第预设数目次迭代开始保存每次迭代输出的所述四个系统状态变量的数值；伪随机序列模块，用于利用保存的所述数值，生成第一数目个预设长度的伪随机序列；地址序列模块，用于对每个所述伪随机序列，通过记录所述伪随机序列内的各元素的大小次序，生成伪随机的地址序列；置乱矩阵模块，用于将生成的两个所述伪随机的地址序列，分别作为置乱矩阵非零元素的行指标序列和列指标序列以生成一个新的置乱矩阵，直至生成第二数目个置乱矩阵。进一步的，所述变换模块，包括：相位掩膜单元，用于生成两个长度与所述空域置乱图像的维度相等的矩阵，分别作为第一相位掩膜和第二相位掩膜；多参数离散分数阶算子模块，生成两个长度与所述空域置乱图像的列维度相等的向量，分别利用两个向量中的元素作为参数，生成第一多参数离散分数阶算子和第二多参数离散分数阶算子；过渡模块，用于利用第一相位掩膜和第一多参数离散分数阶算子对所述空域置乱图像进行相位编码和多参数离散分数阶变换，得到过渡图像；变换模块，用于利用第二相位掩膜和第二多参数离散分数阶算子对所述过渡图像进行相位编码和多参数离散分数阶变换，得到变换图像。本专利技术实施例提供的基于多参数分数阶变换和半张量积的图像加密方法及装置，可以通过相位编码和半张量积运算，使得待加密图像中本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于多参数分数阶变换和半张量积的图像加密方法，其特征在于，包括：对待加密图像的像素，使用置乱矩阵改变其像素的位置，得到空域置乱图像；按照预设规则对所述空域置乱图像进行相位编码和多参数离散分数阶变换，得到变换图像；生成一个维度是所述变换图像的维度的因数且不等于1的方阵，作为密钥矩阵；将所述变换图像，按照所述密钥矩阵的维度均匀分成多个子矩阵；将密钥矩阵分别与每个子矩阵进行半张量积运算，得到每个子矩阵的运算结果；将所述多个子矩阵的运算结果进行整合，得到加密图像。

【技术特征摘要】
1.基于多参数分数阶变换和半张量积的图像加密方法，其特征在于，包括：对待加密图像的像素，使用置乱矩阵改变其像素的位置，得到空域置乱图像；按照预设规则对所述空域置乱图像进行相位编码和多参数离散分数阶变换，得到变换图像；生成一个维度是所述变换图像的维度的因数且不等于1的方阵，作为密钥矩阵；将所述变换图像，按照所述密钥矩阵的维度均匀分成多个子矩阵；将密钥矩阵分别与每个子矩阵进行半张量积运算，得到每个子矩阵的运算结果；将所述多个子矩阵的运算结果进行整合，得到加密图像。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述按照预设规则对所述空域置乱图像进行相位编码和多参数离散分数阶变换，得到变换图像，包括：生成一个维度与所述空域置乱图像的维度相等的矩阵，作为相位掩膜；生成一个长度与所述空域置乱图像的列维度相等的向量，并以该向量的各元素作为参数，生成多参数离散分数阶算子；按照下式对空域置乱图像进行处理，得到变换图像：式中I为所述空域置乱图像，O为所述变换图像，j为复数单位，π为圆周率，α为所述相位掩膜，为多参数离散分数阶算子。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将密钥矩阵分别与每个子矩阵进行半张量积运算，得到每个子矩阵的运算结果，包括：将密钥矩阵分别与每个子矩阵按照下式进行半张量积运算，得到每个子矩阵的运算结果：式中S为所述密钥矩阵，为半张量积运算符，Q为所述子矩阵，Rowi(S)为矩阵S的第i行，Coli(Q)为矩阵Q的第i列，N为所述子矩阵的列维度，M为所述密钥矩阵的维度。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述对待加密图像，使用置乱矩阵改变其像素的位置之前，还包括：利用待加密图像的四个顶点的像素值对预设的混沌系统的四个系统状态变量进行初始化；迭代所述混沌系统，从第预设数目次迭代开始保存每次迭代输出的所述四个系统状态变量的数值；利用保存的所述数值，生成第一数目个预设长度的伪随机序列，停止迭代；对每个所述伪随机序列，通过记录所述伪随机序列内的各元素的大小次序，生成伪随机的地址序列；将生成的两个所述伪随机的地址序列，分别作为置乱矩阵非零元素的行指标序列和列指标序列以生成一个新的置乱矩阵，直至生成第二数目个置乱矩阵。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述按照预设规则对所述空域置乱图像进行相位编码和多参数离散分数阶变换，得到变换图像，包括：生成两个维度与所述空域置乱图像的维度相等的矩阵，分别作为第一相位掩膜和第二相位掩膜；生成两个长度与所述空域置乱图像的列维度相等的向量，分别利用两个向量中的元素作为参数，生成第一多参数离散分数阶算子和第二多参数离散分数阶算子；利用第一相位掩膜和第一多参数离散分数阶算子对所述空域置乱图像进行相位编码和多参数离散分数阶变换，得到过渡图像；利用第二相位掩膜和第二多参数离散分数阶算子对所述过渡图像进行相位编码和多参数离散分数阶变换，得到变换图像。6.基...

【专利技术属性】
技术研发人员：康学净，明安龙，周瑜，张雪松，姚超，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京,11