一种基于超混沌系统和自动细胞机的加密图像的解密方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于超混沌系统和自动细胞机的加密图像的解密方法，首先将加密后的彩色图像C分为红绿蓝三通道图像，得到红通道图Rc、绿通道图Gc及蓝通道图Bc；然后对红通道图Rc、绿通道图Gc及蓝通道图Bc进行替换解密和置乱解密，分别得到替换密钥序列的所有可能值、三个通道图的行置乱序列hr、hg、hb及列置乱序列lr、lg和lb；接着根据三通道图和KT表及置乱序列hr、hg、hb、lr、lg和lb，依次破解红通道密文、蓝通道密文和绿通道密文，得到红通道解密图Rh、蓝通道解密图Bh和绿通道解密图Gh；最后将三个通道解密图合并得到原始图像H。本发明专利技术利用明文解密该加密算法，具有较强的灵活性，不仅图像恢复率高，而且简化了计算过程。

【技术实现步骤摘要】
一种基于超混沌系统和自动细胞机的加密图像的解密方法
本专利技术涉及信息安全
，尤其涉及一种基于超混沌系统和自动细胞机的加密图像的解密方法。
技术介绍
国际电信联盟(ITU)发布调查报告称，至2016年底全球47％的人口用上互联网，总人数约为39亿人。如此庞大的用户群使用互联网进行通信、购物、查找资料以至于海量数据信息的产生，其中图像占极大比重。这些图像数据不论来自国家还是个人都需要极高的安全性。加密技术可以使有意义的图像转换成由噪点构成的无意义图像，从而保证图像在公共网络存储及传输过程中的安全性和机密性。众所周知，混沌学是图像加密的一个强有力工具，因为混沌与加密存在很多内在的联系，如对初始条件的极端敏感性、无周期性、伪随机行等。与传统加密方案相比，基于混沌的图像加密算法具有安全性高、效率高、计算开销合理以及计算能力强等优点，因此混沌学应用于图像加密领域一直是一个热门研究方向。其中，用混沌系统的动力学特性结合Shannon的混淆-扩散原则构造加密方案的方法被广泛用于图像加密领域。最近，一种基于超混沌系统和细胞自动机的彩色图像加密算法被提出，该加密算法主要由两个阶段组成，即置换阶段和扩散阶段，加密方案在置乱阶段采用超混沌系统3D猫映射产生伪随机数序列用于置乱彩色图像R，G，B分量的行和列；在扩散阶段采用Logistic映射和Chen-超混沌系统结合CA产生伪随机数序列用于替换R、G、B分量的像素值，加密方案的核心在于扩散阶段Logistic映射的初始值X0与明文图像三个分量建立关系，即不同的明文存在不同的Logistic映射初始值。但是该加密过程中3D猫映射和Chen超维系统初始值和参数值固定，即对不同的明文图像会产生相同的置乱伪随机序列，此外，此种加密方案存在扩散效应失灵及密钥序列随明文变化的可能性有限的缺陷，因此该加密算法的解密方法可以从置换阶段和扩散阶段进行。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于超混沌系统和自动细胞机的加密图像的解密方法，利用明文解密该加密算法，具有较强的灵活性，且恢复率高。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于超混沌系统和自动细胞机的加密图像的解密方法，其特征在于，依次包括以下步骤：步骤一：将加密后的彩色图像C分为红绿蓝三通道图像，得到红通道图Rc、绿通道图Gc及蓝通道图Bc，其中，Rc、Gc及Bc均为M×N矩阵，M＝1,2，……，m；N＝1,2，……，N；步骤二：对红通道图Rc、绿通道图Gc及蓝通道图Bc进行替换解密和置乱解密，分别得到替换密钥序列的所有可能值、三个通道图的行置乱序列hr、hg、hb及列置乱序列lr、lg和lb，其中hr表示红通道的行置乱序列，hg表示绿通道的行置乱序列，hb表示蓝通道的行置乱序列，lr表示红通道的列置乱序列，lg表示绿通道的列置乱序列，lb表示蓝通道的列置乱序列，将所有可能值保存在KT表中；步骤三：根据步骤一得到的三通道图和步骤二得到的KT表及置乱序列hr、hg、hb、lr、lg和lb，依次破解红通道密文、蓝通道密文和绿通道密文，得到红通道解密图Rh、蓝通道解密图Bh和绿通道解密图Gh；步骤四：将红通道解密图Rh、蓝通道解密图Bh和绿通道解密图Gh合并得到原始图像H。优选地，所述步骤二中，对红通道图Rc、绿通道图Gc及蓝通道图Bc进行替换解密的过程如下：(1)令r＝0，利用蓝通道图Br(i，j)＝r、像素值为0的红通道图R0及像素值为0的绿通道图G0合成尺寸为3M×N的彩色图像Ir，其中Br(i，j)表示第i行第j列的像素值为r，r∈[0,255]，Br(i，j)、R0和G0均为M×N矩阵，i＝1,2，……i；j＝1,2，……，j；(2)对步骤(1)得到的彩色图像Ir加密，得到密文图像Cr，此加密过程为现有技术，不再赘述；(3)将步骤(2)得到的密文图像Cr分解为红通道图绿通道图及蓝通道图，计算其中，RP、GP及BP分别表示红绿蓝通道图R0、G0及Br经行列置乱得到的结果，image_key1、image_key2、image_key3分别表示在加密过程中对密钥序列image_key进行三次置乱过程中得到的密钥序列，由于image_key1和image_key2与全0矩阵RP和GP进行异或计算的结果是image_key1和image_key2，加密过程中的置乱阶段对全0值的红通道图R0和绿通道图G0没有影响，即RP＝R0，GP＝G0，由式(1)可知，由于BP存在非0值，故与image_key3存在不同值，其中，利用三通道合成图像将图像分解为三通道图的过程为现有技术，不在赘述，下标Cr为区分作用，并非变量；(4)将步骤(3)中得到的image_key1，即转换为长度为M×N的行向量，并将此行向量放到KT表中，KT表是尺寸为(256，M×N)的矩阵；(5)令r＝r+1，重复步骤(1)至步骤(4)，最后输出KT表。优选地，所述步骤二中，对红通道图Rc、绿通道图Gc及蓝通道图Bc进行置乱解密的过程如下：(1)利用蓝通道图B3×γ(i，j)＝3×γ、像素值为0的红通道图R0及像素值为0的绿通道图G0合成彩色图像P0，其中B3×γ(i，j)表示第i行第j列的像素值为3×γ，γ∈[0，85]，B3×γ(i，j)、R0和G0均为M×N矩阵，彩色图像P0为3M×N矩阵，γ＝45，则3×γ＝135，即P0的像素值总和为135；(2)对步骤(1)得到的彩色图像P0加密得到密文图像，此加密过程为现有技术，不再赘述；(3)计算红绿蓝三通道的行置乱序列：根据标记像素值全为0的红通道图R0、绿通道图G0及蓝通道图B0的第i行前10个值，分别得到Ri、Gi和Bi，其中，Ri、Gi和Bi的尺寸均为M×N，Ri表示第i行的前10个值分别为0，1，…，9而其它值为0的红通道图；Gi表示第i行的前10个值分别为0，1，…，9而其它值为0的绿通道图；Bi表示第i行的前10个值分别为0，1，…，9而其它值为0的蓝通道图；将Ri、Gi和Bi合并为图像Ii，Ii的像素值总和为由式(2)可知，Ii的像素值总和为135，加密Ii得到密文图像Ci，将密文图像和Ci分解得到红绿蓝三通道子图，对红绿蓝三通道子图按其对应通道进行异或计算，并找到三个异或矩阵的非零值，返回这些非零值的行值，则行值中出现次数最多的值便是对应通道子图的行置乱值，即i→hri，i→hgi，i→hbi，其中，i→hri表示Ii的红通道图Ri的第i行经过置乱映射到密文图像Ci的红通道图的第hri行；i→hgi表示Ii的绿通道图Gi的第i行经过置乱映射到密文图像Ci的绿通道图的第hgi行；i→hbi表示Ii的蓝通道图Bi的第i行经过置乱映射到密文图像Ci的蓝通道图的第hbi行；i＝1,2，……i；j＝1,2，……，j；(4)按照i＝1：M，重复步骤(3)，最终得到RGB固定的行置乱序列hr、hg和hb，其中hr表示红通道的行置乱序列，hg表示绿通道的行置乱序列，hb表示蓝通道的行置乱序列；(5)计算红绿蓝三通道的列置乱序列：根据标记像素值为0的红通道图R0、绿通道图G0及蓝通道图B0的第j列前10个值，分别得到Rj、Gj和Bj，其中，Rj、Gj和Bj的尺寸均为M×N，Rj表示第j列的前10个值分别为0，1，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于超混沌系统和自动细胞机的加密图像的解密方法，其特征在于，依次包括以下步骤：步骤一：将加密后的彩色图像C分为红绿蓝三通道图像，得到红通道图Rc、绿通道图Gc及蓝通道图Bc，其中，Rc、Gc及Bc均为M×N矩阵，M＝1,2，……，m；N＝1,2，……，N；步骤二：对红通道图Rc、绿通道图Gc及蓝通道图Bc进行替换解密和置乱解密，分别得到替换密钥序列的所有可能值、三个通道图的行置乱序列hr、hg、hb及列置乱序列lr、lg和lb，其中hr表示红通道的行置乱序列，hg表示绿通道的行置乱序列，hb表示蓝通道的行置乱序列，lr表示红通道的列置乱序列，lg表示绿通道的列置乱序列，lb表示蓝通道的列置乱序列，将所有可能值保存在KT表中；步骤三：根据步骤一得到的三通道图和步骤二得到的KT表及置乱序列hr、hg、hb、lr、lg和lb，依次破解红通道密文、蓝通道密文和绿通道密文，得到红通道解密图Rh、蓝通道解密图Bh和绿通道解密图Gh；步骤四：将红通道解密图Rh、蓝通道解密图Bh和绿通道解密图Gh合并得到原始图像H。

【技术特征摘要】
1.一种基于超混沌系统和自动细胞机的加密图像的解密方法，其特征在于，依次包括以下步骤：步骤一：将加密后的彩色图像C分为红绿蓝三通道图像，得到红通道图Rc、绿通道图Gc及蓝通道图Bc，其中，Rc、Gc及Bc均为M×N矩阵，M＝1,2，……，m；N＝1,2，……，N；步骤二：对红通道图Rc、绿通道图Gc及蓝通道图Bc进行替换解密和置乱解密，分别得到替换密钥序列的所有可能值、三个通道图的行置乱序列hr、hg、hb及列置乱序列lr、lg和lb，其中hr表示红通道的行置乱序列，hg表示绿通道的行置乱序列，hb表示蓝通道的行置乱序列，lr表示红通道的列置乱序列，lg表示绿通道的列置乱序列，lb表示蓝通道的列置乱序列，将所有可能值保存在KT表中；步骤三：根据步骤一得到的三通道图和步骤二得到的KT表及置乱序列hr、hg、hb、lr、lg和lb，依次破解红通道密文、蓝通道密文和绿通道密文，得到红通道解密图Rh、蓝通道解密图Bh和绿通道解密图Gh；步骤四：将红通道解密图Rh、蓝通道解密图Bh和绿通道解密图Gh合并得到原始图像H。2.如权利要求1所述的一种基于超混沌系统和自动细胞机的加密图像的解密方法，其特征在于，所述步骤二中，对红通道图Rc、绿通道图Gc及蓝通道图Bc进行替换解密的过程如下：(1)令r＝0，利用蓝通道图Br(i，j)＝r、像素值为0的红通道图R0及像素值为0的绿通道图G0合成尺寸为3M×N的彩色图像Ir，其中Br(i，j)表示第i行第j列的像素值为r，r∈[0,255]，Br(i，j)、R0和G0均为M×N矩阵，i＝1,2，……i；j＝1,2，……，j；(2)对步骤(1)得到的彩色图像Ir加密，得到密文图像Cr，此加密过程为现有技术，不再赘述；(3)将步骤(2)得到的密文图像Cr分解为红通道图绿通道图及蓝通道图计算其中，RP、GP及BP分别表示红绿蓝通道图R0、G0及Br经行列置乱得到的结果，image_key1、image_key2、image_key3分别表示在加密过程中对密钥序列image_key进行三次置乱过程中得到的密钥序列，由于image_key1和image_key2与全0矩阵RP和GP进行异或计算的结果是image_key1和image_key2，加密过程中的置乱阶段对全0值的红通道图R0和绿通道图G0没有影响，即RP＝R0，GP＝G0，由式(1)可知，由于BP存在非0值，故与image_key3存在不同值，其中，利用三通道合成图像将图像分解为三通道图的过程为现有技术，不在赘述，下标Cr为区分作用，并非变量；(4)将步骤(3)中得到的image_key1，即转换为长度为M×N的行向量，并将此行向量放到KT表中，KT表是尺寸为(256，M×N)的矩阵；(5)令r＝r+1，重复步骤(1)至步骤(4)，最后输出KT表。3.如权利要求1所述的一种基于超混沌系统和自动细胞机的加密图像的解密方法，其特征在于，所述步骤二中，对红通道图Rc、绿通道图Gc及蓝通道图Bc进行置乱解密的过程如下：(1)利用蓝通道图B3×γ(i，j)＝3×γ、像素值为0的红通道图R0及像素值为0的绿通道图G0合成彩色图像P0，其中B3×γ(i，j)表示第i行第j列的像素值为3×γ，γ∈[0，85]，B3×γ(i，j)、R0和G0均为M×N矩阵，彩色图像P0为3M×N矩阵，γ＝45，则3×γ＝135，即P0的像素值总和为135；(2)对步骤(1)得到的彩色图像P0加密得到密文图像此加密过程为现有技术，不再赘述；(3)计算红绿蓝三通道的行置乱序列：根据标记像素值全为0的红通道图R0、绿通道图G0及蓝通道图B0的第i行前10个值，分别得到Ri、Gi和Bi，其中，Ri、Gi和Bi的尺寸均为M×N，Ri表示第i行的前10个值分别为0，1，…，9而其它值为0的红通道图；Gi表示第i行的前10个值分别为0，1，…，9而其它值为0的绿通道图；Bi表示第i行的前10个值分别为0，1，…，9而其它值为0的蓝通道图；将Ri、Gi和Bi合并为图像Ii，Ii的像素值总和为由式(2)可知，Ii的像素值总和为135，加密Ii得到密文图像Ci，将密文图像和Ci分解得到红绿蓝三通道子图，对红绿蓝三通道子图按其对应通道进行异或计算，并找到三个异或矩阵的非零值，返回这些非零值的行值，则行值中出现次数最多的值便是对应通道子图的行置乱值，即i→hri，i→hgi，i→hbi，其中，i→hri表示Ii的红通道图Ri的第i行经过置乱映射到密文图像Ci的红通道图的第hri行；i→hgi表示Ii的绿通道图Gi的第i行经过置乱映射到密文图像Ci的绿通道图的第hgi行；i→hbi表示Ii的蓝通道图Bi的第i行经过置乱映射到密文图像Ci的蓝通道图的第hbi行；i＝1,2，……i；j＝1,2，……，j；(4)按照i＝1：M，重复步骤(3)，最终得到RGB固定的行置乱序列hr、hg和hb，其中hr表示红通道的行置乱序列，hg表示绿通道的行置乱序列，hb表示蓝通道的行置乱序列；(5)计算红绿蓝三通道的列置乱序列：根据标记像素值为0的红通道图R0、绿通道图G0及蓝通道图B0的第j列前10个值，分别得到Rj、Gj和Bj，其中，Rj、Gj和...

【专利技术属性】
技术研发人员：李名，路丹丹，任花，王兰兰，常慧敏，
申请(专利权)人：河南师范大学，
类型：发明
国别省市：河南,41