一种基于明文的图像加密方法技术

本发明专利技术涉及一种基于明文的图像加密方法，包括：根据明文图像数据和逻辑映射初始值构造三维猫映射密钥；根据所述三维猫映射密钥得到三维猫映射伪随机数序列，以及根据所述逻辑映射初始值得到逻辑映射伪随机数序列；根据所述三维猫映射伪随机数序列对所述明文图像数据进行置乱，得到置乱图像数据；对所述置乱图像数据进行扩散，得到密文图像数据。本发明专利技术实施例基于明文构造密钥流，使攻击者在使用选择明文的时候每次选择不同的明文都会产生不同的密钥流，从根本上抵抗选择明文攻击。

【技术实现步骤摘要】
一种基于明文的图像加密方法
本专利技术属于数字图像处理
，具体涉及一种基于明文的图像加密方法。
技术介绍
数字图像，又称数码图像或数位图像，是二维图像用有限数字数值像素的表示。由数组或矩阵表示，其光照位置和强度都是离散的。数字图像是由模拟图像数字化得到的、以像素为基本元素的、可以用数字计算机或数字电路存储和处理的图像。图像加密是信息安全领域的一个重要问题，因此图像信息传输和图像加密技术都引起了广泛关注。对于数字图像信息的安全性需求，目前主要考虑四个方面，即：保密性、完整性、鉴别性和不可抵赖性。由于混沌具有低功耗、低复杂度、安全性高和方便性以及易于软件仿真实现等特性，使用混沌图像加密可以很好的满足以上数字图像加密需要达到的四个要求，进而可以有效地保护图像数据，防止图像信息被攻击者所窃取，所以对于图像加密，使用比较多的是混沌加密技术。目前，在图像加密中应用比较广泛的几种混沌映射有猫映射和逻辑映射，其中猫映射可以被认为是一个在随时间周期变化的在外场中做一维运动的质点所产生的，也可以被描述为在有限区域内反复做拉伸和折叠的变换；逻辑映射从数学形式上来看是一个非常简单的混沌映射，但此系统具有极其复杂的动力学行为，在保密通信领域的应用十分广泛。近年来，基于混沌系统的图像加密算法是一个研究热点。根据伪随机数生成器是否依赖明文，这些加密算法可以分为两类，一类是密钥流与明文无关；二类是密钥流与明文相关。经过学者研究发现第一类加密算法大部分不安全，原因是这些加密算法或者是仅有一轮置乱扩散，或者是密钥空间小，或者是与明文无关等，导致它们不能有效抵抗攻击。虽然第二类加密算法基于明文，但由于像素值总和不变性，很多伪随机数生成器的密钥空间小，导致其不能抵抗选择明文攻击等。因此，如何使加密算法能够抵抗选择明文攻击就显得尤为重要。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种基于明文的图像加密方法。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：本专利技术实施例提供了一种基于明文的图像加密方法，包括：根据明文图像数据和逻辑映射初始值构造三维猫映射密钥；根据所述三维猫映射密钥得到三维猫映射伪随机数序列，以及根据所述逻辑映射初始值得到逻辑映射伪随机数序列；根据所述三维猫映射伪随机数序列对所述明文图像数据进行置乱，得到置乱图像数据；对所述置乱图像数据进行扩散，得到密文图像数据。在本专利技术的一个实施例中，根据明文图像数据和逻辑映射初始值构造三维猫映射密钥，包括：将明文图像数据的最后一列像素值依次与前N-1列像素值进行异或操作，得到一列异或值，标记为其中ln表示像素值，N为所述明文图像数据的列数；将明文图像数据的最后一行像素值依次与前M-1行像素值进行异或操作，得到一行异或值，标记为其中hm表示像素值，M为所述明文图像数据的行数；根据公式Lv＝L·LT＝l12+l22+...+lN2计算得到内积值Lv，其中，LT表示L转置；根据公式Hv＝H·HT＝h12+h22+...+hM2计算得到内积值Hv，其中，HT表示H转置；根据下述公式计算得到所述三维猫映射密钥：其中，mod表示模运算；x0，y0，z0为所述三维猫映射密钥。在本专利技术的一个实施例中，根据所述三维猫映射密钥得到三维猫映射伪随机数序列，包括：对所述三维猫映射密钥进行预设次数迭代运算，得到所述三维猫映射伪随机数序列，其中，所述三维猫映射伪随机数序列中伪随机数的个数为：3×n×(M+N)，其中，n为预设次数，M、N分别为所述明文图像数据的行数和列数。在本专利技术的一个实施例中，根据所述逻辑映射初始值得到逻辑映射伪随机数序列，包括：根据所述逻辑映射伪随机数序列公式：qi+1＝Rqi(1-qi)生成所述逻辑映射伪随机数序列，其中，R为系统参数，q为逻辑映射值，qi为第i个q值，qi+1为第i+1个q值，所述逻辑映射伪随机数序列中伪随机数的个数为：M×N，M、N分别为所述明文图像数据的行数和列数。在本专利技术的一个实施例中，根据所述三维猫映射伪随机数序列对所述明文图像数据进行置乱，包括：对所述明文图像数据进行分层，得到若干比特平面；根据所述三维猫映射伪随机数序列对每个比特平面分别进行行置乱和列置乱；对置乱后的每个比特平面按照预设规则进行重新排列，得到排列的像素图像；根据所述三维猫映射伪随机数序列对所述排列的像素图像进行行置乱和列置乱，得到置乱图像数据。在本专利技术的一个实施例中，对所述置乱图像数据进行扩散，包括：采用公式对所述置乱图像数据进行扩散，其中，C(i)为密文C第i个像素，P(i)为明文图像P第i个像素，K(i)为密钥流K第i个随机数，为2到M×N之间的整数域。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：1、本专利技术实施例基于明文构造密钥流，使攻击者在使用选择明文的时候每次选择不同的明文都会产生不同的密钥流，从根本上抵抗选择明文攻击；2、本专利技术实施例使与明文相关的密钥产生的密钥流同时作用于置乱阶段和扩散阶段，加强了加密过程与明文的关联性；3、本专利技术实施例在置乱和扩散阶段使用不同的混沌映射，并通过置乱与扩散的结合进一步提高加密安全性；4、本专利技术实施例在置乱阶段综合使用了基于比特位的置乱、基于比特位平面的置乱和基于像素位的置乱，增加了密文的复杂性；5、本专利技术实施例综合使用了一维混沌映射和三维猫映射，有助于扩大密钥空间、提升密钥敏感性，并增强密文图像的随机性；6、实验结果表明本专利技术实施例设计的图像加密方法能抵抗多种攻击，并具有良好的加密效果。附图说明图1为本专利技术实施例提供的一种基于明文的图像加密方法的流程示意图；图2为本专利技术实施例提供的一种基于明文的图像加密方法的详细流程示意图；图3(a)-3(c)为本专利技术实施例提供的加密密钥敏感性分析测试结果图；图4(a)-4(c)为本专利技术实施例提供的解密密钥敏感性分析测试结果图；图5(a)为本专利技术实施例提供的原明文图像的直方图；图5(b)为本专利技术实施例提供的明文对应的密文图像的直方图；图6(a)-6(f)为本专利技术实施例提供的图像“camera”的仿真实验结果图；图7(a)-7(f)为本专利技术实施例提供的图像“baboon”的仿真实验结果图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术做进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例一请参见图1，图1为本专利技术实施例提供的一种基于明文的图像加密方法的流程示意图，该加密方法具体包括以下步骤：根据明文图像数据和逻辑映射初始值构造三维猫映射密钥；其中，构造所述三维猫映射密钥包括：将明文图像数据的最后一列像素值依次与前N-1列像素值进行异或操作，得到一列异或值，标记为其中ln表示像素值，N为所述明文图像数据的列数；将明文图像数据的最后一行像素值依次与前M-1行像素值进行异或操作，得到一行异或值，标记为其中hm表示像素值，M为所述明文图像数据的行数；根据公式Lv＝L·LT＝l12+l22+...+lN2计算得到内积值Lv，其中，LT表示L转置；根据公式Hv＝H·HT＝h12+h22+...+hM2计算得到内积值Hv，其中，HT表示H转置；根据下述公式计算得到所述三维猫映射密钥：其中，mod表示模运算；x0，y0，z0为所述三维猫映射密钥。这种基于明文的密钥构造方案可有效抵抗选择明文攻击，即不同的明文具有不同的密钥，不同的密钥产生本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于明文的图像加密方法，其特征在于，包括：根据明文图像数据和逻辑映射初始值构造三维猫映射密钥；根据所述三维猫映射密钥得到三维猫映射伪随机数序列，以及根据所述逻辑映射初始值得到逻辑映射伪随机数序列；根据所述三维猫映射伪随机数序列对所述明文图像数据进行置乱，得到置乱图像数据；对所述置乱图像数据进行扩散，得到密文图像数据。

【技术特征摘要】
1.一种基于明文的图像加密方法，其特征在于，包括：根据明文图像数据和逻辑映射初始值构造三维猫映射密钥；根据所述三维猫映射密钥得到三维猫映射伪随机数序列，以及根据所述逻辑映射初始值得到逻辑映射伪随机数序列；根据所述三维猫映射伪随机数序列对所述明文图像数据进行置乱，得到置乱图像数据；对所述置乱图像数据进行扩散，得到密文图像数据。2.根据权利要求1所述的基于明文的图像加密方法，其特征在于，根据明文图像数据和逻辑映射初始值构造三维猫映射密钥，包括：将明文图像数据的最后一列像素值依次与前N-1列像素值进行异或操作，得到一列异或值，标记为其中ln表示像素值，N为所述明文图像数据的列数；将明文图像数据的最后一行像素值依次与前M-1行像素值进行异或操作，得到一行异或值，标记为其中hm表示像素值，M为所述明文图像数据的行数；根据公式Lv＝L·LT＝l12+l22+...+lN2计算得到内积值Lv，其中，LT表示L转置；根据公式Hv＝H·HT＝h12+h22+...+hM2计算得到内积值Hv，其中，HT表示H转置；根据下述公式计算得到所述三维猫映射密钥：其中，mod表示模运算；x0，y0，z0为所述三维猫映射密钥。3.根据权利要求1所述的基于明文的图像加密方法，其特征在于，根据所述三维猫映射密钥得到三维猫映射伪随机数序列，包括：对所述三维猫映射密钥进行预设次数迭代运算，得到所述三维...

【专利技术属性】
技术研发人员：王云江，李思嘉，石莎，刘阳，王增斌，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61