基于超混沌与双随机相位编码的彩色图像加密方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于超混沌与双随机相位编码的彩色图像加密方法及系统，属于图像加密技术领域。本发明专利技术彩色图像加密方法包括如下步骤：对原始彩色图像的

Color image encryption method and system based on hyperchaos and double random phase coding

【技术实现步骤摘要】
基于超混沌与双随机相位编码的彩色图像加密方法及系统
本专利技术涉及图像加密技术，尤其涉及一种基于超混沌与双随机相位编码的彩色图像加密方法及系统。
技术介绍
随着网络的快速发展，人们的经济生活越来越依赖网络，因此网络安全近年来变得越来越重要。数据通信在本质上已经很大程度上变成了网络，大量的便携设备(如智能手机和平板电脑)都嵌入了图像处理功能。同时，通信渠道，如互联网和无线网络，这些技术虽然给我们的生活带来了极大的便利，但也给隐私带来了新的挑战。为了应对这一挑战，需要对涉及国家安全、商业利益和个人隐私等的信息进行加密保护,特别是在传输过程中。混沌图像加密方法是保护数字图像的主要方法，它们利用混沌系统产生的混沌序列对明文图像进行像素位置置乱与像素值扩散，从而得密文图像。混沌的拓扑传递与混迭特性类似于密码的扩散与混淆特性，因此，基于混沌理论的图像加密算法总体上具有较好的安全性，但随着解密技术的进步，混沌加密技术的不足之处也慢慢显现出来。首先，基于低维混沌系统的加密技术的密钥过于简单容易被非法获得者破解，特别是对于一维混沌系统。其次，对于高维混沌系统而言，虽然密钥空间变大了，但维数越高对应的混沌序列的产生所花时间也越长，从而影响了图像加解密的效率，特别是当频繁产生混沌序列的时候。因此，混沌加密技术很有必要与其它加密技术相结合，从而增加加密技术的安全性。。
技术实现思路
为解决现有技术中的问题，本专利技术提供一种基于超混沌与双随机相位编码的彩色图像加密方法，还提供一种实现所述彩色图像加密方法的系统。<br>本专利技术基于超混沌与双随机相位编码的彩色图像加密方法包括如下步骤：S1：对原始彩色图像的R,G,B分量进行像素位置的置乱；S2：利用超混沌系统产生的混沌序列对置乱后的各分量进行混沌与扩散；S3：利用双随机相位编码对混沌与扩散后的各分量进行编码，得到彩色密图。本专利技术作进一步改进，步骤S1中，采用Arnold变换对原始彩色图像的R,G,B分量进行像素位置的置乱，置乱次数为1次以上。本专利技术作进一步改进，待加密的原始彩色图像I,其高度和宽度分别为M,N，I1,I2,I3分别为原始彩色图像I的R,G,B分量，分别对I1,I2,I3进行Arnold变换，即把原始彩色图像的各个像素点位置按下列公式进行移动，其中，a,b为控制参数，每进行一次Arnold变换，就相当于对原始彩色图像进行了一次置乱，最后得到置乱后的分量矩阵S1,S2,S3。本专利技术作进一步改进，所述Arnold变换的次数为10次。本专利技术作进一步改进，步骤S2中，所述混沌与扩散方法为：S21：利用四维超混沌系统获取四个长度为定值的实值混沌序列X、Y、Z、H；S22：实值混沌序列预处理：对实值混沌序列X、Y、Z分别进行预处理，得到三个整数序列W1、W2、W3，整数的范围为0到255，对实值混沌序列Z、H行预处理，得到二个范围为0到1的实数序列U1、U2；S23：分别从整数序列W1、W2、W3和实数序列U1、U2中截取五个长度为l＝MN的连续序列得到五个序列D1、D2、D3、V1、V2；S24：把分量矩阵S1,S2,S3按列堆叠成三个序列S1＝{s11,s12,…,s1l},S2＝{s21,s22,…,s2l},S3＝{s31,s32,…,s3l}，然后利用序列D1,D2,D3按照公式：对S1,S2,S3进行混淆与扩散，从而得到三个扩散后的序列：F1＝{f11,f12,...,f1l},F2＝{f21,f22,...,f2l},F3＝{f31,f32,...,f3l},其中，i＝1,2,…,l，而初始值f10,f20,f30为加密密钥，mod表示取模运算，表示按位异或运算。本专利技术作进一步改进，步骤S3中，对各分量进行编码的方法为：S31：分别将序列V1,V2重组为大小为M×N的矩阵E1,E2，然后利用E1,E2按照(5)式构造两个随机相位掩模P1,P2；S32：将序列F1,F2、F3重组为大小为M×N的矩阵Y1,Y2，Y3，然后对它们进行归一化处理从而得到元素值范围为从0到1的实数矩阵A1,A2,A3；S33：利用A1,A2按照公式：C1(x,y)＝A1(x,y)exp(i2πA2(x,y)),x＝1,...,M,y＝1,...,N处理，得到两个复数矩阵C1：S34：复数矩阵C1与第一个随机相位掩模P1相乘，然后对相乘后的结果进行二维快速傅里叶变换，获取模B1与辐角K1；S35：利用B1,A3根据公式：C2(x,y)＝B1(x,y)exp(i2πA3(x,y)),x＝1,...,M,y＝1,...,N处理后得到两个复数矩阵C2；S36：复数矩阵C2与第二个随机相位掩模P2相乘，然后对相乘后的结果进行二维逆傅里叶变换，获取模B2与辐角K2，S37：将模B2、辐角K1和辐角K2转换成彩色密图E。本专利技术还提供一种实现所述彩色图像加密方法的系统，包括：置乱模块：用于对原始彩色图像的R,G,B分量进行像素位置的置乱；混沌与扩散模块：用于利用超混沌系统产生的混沌序列对置乱后的各分量进行混沌与扩散；编码模块：用于利用双随机相位编码对混沌与扩散后的各分量进行编码，得到彩色密图。本专利技术作进一步改进，所述置换模块采用Arnold变换对原始彩色图像的R,G,B分量进行像素位置的置乱，置乱次数为1次以上。本专利技术作进一步改进，所述混沌与扩散模块包括：第一获取单元：用于利用四维超混沌系统获取四个长度为定值的实值混沌序列X、Y、Z、H；预处理单元：用于对实值混沌序列X、Y、Z分别进行预处理，得到三个整数序列W1、W2、W3，整数的范围为0到255，对实值混沌序列Z、H行预处理，得到二个范围为0到1的实数序列U1、U2；第二获取单元：用于分别从整数序列W1、W2、W3和实数序列U1、U2中截取五个长度为l＝MN的连续序列得到五个序列D1、D2、D3、V1、V2；混沌与扩散单元：用于把分量矩阵S1,S2,S3按列堆叠成三个序列S1＝{s11,s12,…,s1l},S2＝{s21,s22,…,s2l},S3＝{s31,s32,…,s3l}，然后利用序列D1,D2,D3按照公式：对S1,S2,S3进行混淆与扩散，从而得到三个扩散后的序列：F1＝{f11,f12,...,f1l},F2＝{f21,f22,...,f2l},F3＝{f31,f32,…,f3l},其中，i＝1,2,…,l，而初始值f10,f20,f30为加密密钥，mod表示取模运算，表示按位异或运算。本专利技术作进一步改进，所述编码模块包括：随机相位掩模P1,P2构造单元：用于分别将序列V1,V2重组为大小为M×N的矩阵E1,E2，然后利用E1,E2按照(5)式构造两个随机相位掩模P1,P2；归一化单元：用于将序列F1,F2、F3重组为大小为M×N的矩阵Y1,Y2，Y3，然后对它们进行归一化处理从而得到元本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于超混沌与双随机相位编码的彩色图像加密方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1：对原始彩色图像的R,G,B分量进行像素位置的置乱；/nS2：利用超混沌系统产生的混沌序列对置乱后的各分量进行混沌与扩散；/nS3：利用双随机相位编码对混沌与扩散后的各分量进行编码，得到彩色密图。/n

【技术特征摘要】
1.基于超混沌与双随机相位编码的彩色图像加密方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：对原始彩色图像的R,G,B分量进行像素位置的置乱；
S2：利用超混沌系统产生的混沌序列对置乱后的各分量进行混沌与扩散；
S3：利用双随机相位编码对混沌与扩散后的各分量进行编码，得到彩色密图。


2.根据权利要求1所述的基于超混沌与双随机相位编码的彩色图像加密方法，其特征在于：步骤S1中，采用Arnold变换对原始彩色图像的R,G,B分量进行像素位置的置乱，置乱次数为1次以上。


3.根据权利要求2所述的基于超混沌与双随机相位编码的彩色图像加密方法，其特征在于：待加密的原始彩色图像I,其高度和宽度分别为M,N，I1,I2,I3分别为原始彩色图像I的R,G,B分量，分别对I1,I2,I3进行Arnold变换，即把原始彩色图像的各个像素点位置按下列公式进行移动，



其中，a,b为控制参数，每进行一次Arnold变换，就相当于对原始彩色图像进行了一次置乱，最后得到置乱后的分量矩阵S1,S2,S3。


4.根据权利要求3所述的基于超混沌与双随机相位编码的彩色图像加密方法，其特征在于：所述Arnold变换的次数为10次。


5.根据权利要求3所述的基于超混沌与双随机相位编码的彩色图像加密方法，其特征在于，步骤S2中，所述混沌与扩散方法为：
S21：利用四维超混沌系统获取四个长度为定值的实值混沌序列X、Y、Z、H；
S22：实值混沌序列预处理：对实值混沌序列X、Y、Z分别进行预处理，得到三个整数序列W1、W2、W3，整数的范围为0到255，对实值混沌序列Z、H行预处理，得到二个范围为0到1的实数序列U1、U2；
S23：分别从整数序列W1、W2、W3和实数序列U1、U2中截取五个长度为l＝MN的连续序列得到五个序列D1、D2、D3、V1、V2；
S24：把分量矩阵S1,S2,S3按列堆叠成三个序列S1＝{s11,s12,…,s1l},S2＝{s21,s22,…,s2l},S3＝{s31,s32,…,s3l}，然后利用序列D1,D2,D3按照公式：



对S1,S2,S3进行混淆与扩散，从而得到三个扩散后的序列：
F1＝{f11,f12,…,f1l},F2＝{f21,f22,…,f2l},F3＝{f31,f32,…,f3l},其中，i＝1,2,…,l，而初始值f10,f20,f30为加密密钥，mod表示取模运算，表示按位异或运算。


6.根据权利要求4所述的基于超混沌与双随机相位编码的彩色图像加密方法，其特征在于：步骤S3中，对各分量进行编码的方法为：
S31：分别将序列V1,V2重组为大小为M×N的矩阵E1,E2，然后利用E1,E2按照(5)式构造两个随机相位掩模P1,P2；
S32：将序列F1,F2、F3重组为大小为M×N的矩阵Y1,Y2，Y3，然后对它们进行归一化处理从而得到元素值范围为从0到1的实数矩阵A1,A2,A3；
S33：利用A1,A2按照公式：C1(x,y)＝A1(x,y)exp(i2πA2(x,y)),x＝1,…,M,y＝1,…,N处理，得到两个复数矩阵C1：
S34：复数矩阵C1与第一个随机相位掩模P1相乘，然后对相乘后的结果进行二维快速傅里叶变换，获取模B1与辐角K1；
S35：利用B1,A3根据公式：C2(x,y)＝B1(x,y)e...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈宝文，程东升，黄慧青，
申请(专利权)人：深圳信息职业技术学院，
类型：发明
国别省市：广东;44