一种新的图像加密方法技术

本发明专利技术属于图像处理领域，提出了一种新的图像加密方法，基于图像分块和耦合映射格子的图像加密方法，该方法的主要思想是首先通过对图像进行分块操作，然后将每一块内的像素都扩散到整幅图像中，循环迭代全部像素块后完成图像的置乱操作。最后，通过耦合映射格子所生成的混沌序列与置乱后的像素流进行异或操作，实现对图像的扩散操作，生成密文图像。所提出的加密算法具有高度的密钥敏感性和密钥空间，可以有效抵御各种统计攻击和暴力攻击，具有较高的安全性。故本发明专利技术具有很强的适用性和安全性。

A New Image Encryption Method

The invention belongs to the field of image processing, and proposes a new image encryption method based on image block and coupled mapping lattice. The main idea of the method is to first block the image, then spread the pixels in each block to the whole image, and complete the image scrambling operation after iterating all the pixel blocks. Finally, the chaotic sequence generated by the coupled mapping lattice and the scrambled pixel stream are XOR operated to realize the image diffusion operation and generate ciphertext image. The proposed encryption algorithm has high key sensitivity and key space, can effectively resist various statistical attacks and violent attacks, and has high security. Therefore, the invention has strong applicability and safety.

【技术实现步骤摘要】
一种新的图像加密方法
本专利技术属于图像处理领域，涉及一种基于图像分块和耦合映射格子的图像加密方法，具体应用于图像加密过程中。
技术介绍
随着计算机图像在网络中传输技术的快速发展，特别是在Internet网中，数字图像的安全性逐渐成为了人们关注的焦点。对于图像加密而言，与文本加密相比有着特殊的需求。主要是因为数字图像具有数据空间大和高相关性等特点，这使得大部分传统的加密技术难以图像加密算法的设计。因此，近些年来很多新颖的图像加密算法被提出，一种可行的解决方案是基于混沌理论的图像加密算法。图像加密的核心一般包含两大原则，基于混沌理论的图像加密算法框架也是以置乱和扩散为算法核心。在置乱过程中，像素点的位置被重新定位而不改变像素值的大小。在扩散过程中，恰好相反，改变像素值的大小而不改变它们的位置；并且，对于一个像素点进行细微的改变将可能带来非常多的像素点值的变化。置乱和扩散是两个独立且迭代的过程，但是它们二者获取像素值序列和操作又有着必然的关联。目前，许多加密算法存在抗攻击能力不足等缺点，本章算法基于图像分块的基础上，对像素点按照循环迭代的规则置乱后结合较为成熟的时空混沌系统完成图像的加密，显著提高了算法的安全性。Wang等提出了一种于Logistic映射的图像交替加密算法(XWang，KGuo.Anewimagealternateencryptionalgorithmbasedonchaoticmap.NonlinearDynamics,2014,76(4):1943-1950),Wang也提出了一种于耦合映射格子和“选择器”的图像加密方案(XYWang，XMBao.Anovelblockcryptosystembasedonthecoupledchaoticmaplattice.NonlinearDynamics,2013,72(4):707-715)，对其进行安全性分析可以发现其像素间的相关性抺灭的不够强烈，信息熵也显示出其混沌程度不够，故其抗攻击性不强。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提高加密算法的安全性和效率等问题，提出了一种结合成熟理论的图像加密方法。基于图像的分块操作以及耦合映射格子提出一种新的图像加密方法，该方法的主要思想是首先通过对图像进行分块处理，然后对每个像素块内的像素扩散到整幅图像，实现像素的置乱操作，然后结合耦合映射格子对置乱后的像素进行相应的异或操作，实现图像的加密处理。本专利技术的具体技术方案如下：第一步，首先计算出图像的像素和与像素的平均值，作为密钥的一部分并通过安全散列算法计算出混沌系统的初始值。第二步，置乱操作：通过第一步得到的初始值以及辅助函数迭代耦合映射格子，将生成的一个混沌序列转换为二维像素矩阵，然后将该矩阵按照合适的大小进行分块操作，将每一个像素块内的像素扩散到存放置乱图像的像素矩阵中，进行迭代后，完成整幅图像的操作，生成置乱图像。第三步，扩散：取第二步中的耦合映射格子生成另外三组混沌序列，进行数据处理后，与置乱后的图像像素流进行异或操作，所得到的处理结果即为扩散后的图像像素值，实现对像素值大小的改变。上述第一步中所使用的安全散列算法是SHA-512，该算法是对以往SHA-1和SHA-2算法的补充，具有更高的初值敏感性以及更强的安全性。在本专利技术中，首先通过SHA-512算法在已知图像的像素和的基础上生成与明文信息密切相关的512位的哈希值，然后生成迭代耦合映射格子所需要的所有的初始值，其公式如下所示：h＝SHA3-512(sum)(1)式中，d1、d2、d3和d4均是从哈希值h中抽取出来的，其中每个di表示一个字节。这里需要特别注意的是，需要首先将二进制转化为十进制后才可以通过公式来获取混沌所需要的初始值。上述第二步和第三步中所使用的混沌为耦合映射格子，由于其是高维的系统，故具有更加复杂的非线性和高随机性特点，适用于图像加密操作。典型的耦合映射格子系统CML，其动力学公式如下所示：其中，j是空间指数，n是时间指数，ε是耦合参数，L是格子的数量。辅助函数f(x)是Logistic映射如下：f(x)＝x＝μx(1-x),x∈(0,1),μ∈[3.57,4](4)上述第二步中的置乱操作为：首先需要将一维混沌序列转换为与图像大小相等的二维像素矩阵，然后对矩阵按照合适的大小进行分块处理，若不能均匀分块则对矩阵添加像素0进行改造。将第一个像素块内的像素扩散到用于存放置乱图像的矩阵中，然后循环迭代每一个像素块，最终完全打乱原始图像的像素位置。上述第三步中的扩散步骤具体是，首先获取三个混沌序列流，将两个序列流进行异或操作取模后，再与第三个序列流以及置乱像素流进行异或操作，来改变置乱像素值的大小，所得到的扩散数据即为最终的密文像素。对于异或操作尽量通过高复杂的计算来增强算法的安全性。本专利技术的有益效果为，所提出的加密算法效果更加优异，具有很强的安全性，能够抵御各种攻击，密钥敏感性强。并且本专利技术是基于成熟理论设计的，具有将强的适用性以及安全性。附图说明图1是本专利技术的加密过程图。图2是本专利技术的加密与解密效果图。(a)Lena明文图像；(b)Lena密文图像；(c)Lena解密图像；图3是本专利技术的直方图分布。(a)明文图像Lena；(b)明文图像Lena的直方图；(c)密文图像Lena；(d)密文图像Lena的直方图。图4是本专利技术的密钥敏感性测试。(a)成功解密的图像；(b)细微改变密钥的解密图像；(c)两幅密文图像的差别。具体实施方式下面结合图1对本专利技术加密做更详细的描述加密算法的流程如下：为了不失一般性，设灰度图像P为M×N大小，其中M为行数，N为列数。1)将图像按照每块为8×8的大小分块，共分为Z块。如果像素值总个数不是64的倍数，要进行改造以适用于图像的大小。计算出像素值总和sum，以及像素值平均值ag，相应计算公式如下所示：其中图像所对应的一维数组为g(i)，且i∈(1,M×N)。2)首先通过式(1)来生成与明文图像P密切相关的512位哈希值，然后根据公式(2)的安全散列算法从第k位比特开始生成用于耦合映射格子的初始值x0(j),j∈0,1,2…L。3)通过初始参数x0(j)，以及两个辅助函数由式(4)所表示的logistic混沌映射，通过迭代耦合映射格子式(3)可以得到用于扩散操作的混沌序列。记录每一个格子的生成值，则共产生M×N×L个混沌序列。4)取上一步中生成的一个格子g1(i)共M×N个混沌序列，按照式(7)进行处理后，用于图像的置乱操作。再取上一步中的三个格子g2(i),g3(i)和g4(i)的混沌序列用于扩散操作，将其按照式(8-10)进行处理:c(i)＝(g1(i)×1015+ag×1015)mod(M×N)(7)e1(i)＝(g2(i)×1015+sum×106)mod256(8)e2(i)＝(g3(i)×1015+ag×1013)mod256(9)e3(i)＝(g4(i)×1015)mod256(10)5)将用于置乱的一维混沌序列c(i),i∈0,1,…M×N，转换为大小与明文图像P相同的二维矩阵H1，再生产一个二维矩阵H2用于存储置乱后的像素点。将矩阵H1分为Z块，每块包含64个像素点，同时将矩阵H2分为64块，每块大小为Z1＝sum/64个像素点，其中Z与本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新的图像加密方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步，首先计算出图像的像素和与像素的平均值，作为密钥的一部分并通过安全散列算法计算出混沌系统的初始值；第二步，置乱操作：通过第一步得到的初始值以及辅助函数迭代耦合映射格子，将生成的一个混沌序列转换为二维像素矩阵，然后将该矩阵进行分块操作，将每一个像素块内的像素扩散到存放置乱图像的像素矩阵中，进行迭代后，完成整幅图像的操作，生成置乱图像；第三步，扩散：取第二步中的耦合映射格子生成另外三组混沌序列，进行数据处理后，与置乱后的图像像素流进行异或操作，所得到的处理结果即为扩散后的图像像素值，实现对像素值大小的改变。

【技术特征摘要】
1.一种新的图像加密方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步，首先计算出图像的像素和与像素的平均值，作为密钥的一部分并通过安全散列算法计算出混沌系统的初始值；第二步，置乱操作：通过第一步得到的初始值以及辅助函数迭代耦合映射格子，将生成的一个混沌序列转换为二维像素矩阵，然后将该矩阵进行分块操作，将每一个像素块内的像素扩散到存放置乱图像的像素矩阵中，进行迭代后，完成整幅图像的操作，生成置乱图像；第三步，扩散：取第二步中的耦合映射格子生成另外三组混沌序列，进行数据处理后，与置乱后的图像像素流进行异或操作，所得到的处理结果即为扩散后的图像像素值，实现对像素值大小的改变。2.根据权利要求1所述的一种新的图像加密方法，其特征在于，第二步和第三步中所用的耦合映射格子为典型的CML，其动力学公式为：其中，ε是耦合参数，n是时间指数，j是空间指数，L是格子的数量；映射函数f(x)是Logistic映射如下：f(x)＝x＝μx(1-x),x∈(0,1),μ∈[3.57,4](4)。3.根据权利要求1或2所述的一种新的图像加密方法，其特征在于，第二步中的置乱操作为：首先需要将一维混沌序列转换为与图像大小相等的二维像素矩阵，然后对矩阵按照合适的大小进行分块处理，若不能均匀分块则对矩阵添加像素0进行改造；将第一个像素块内的像素扩散到用于存放置乱图像的矩阵中，然后循环迭代每一个像素块，最终完全打乱原始图像的像素位置。4.根据权利要求1或2所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：范冬梅，卢志茂，王贺，姚念民，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21