一种基于比特位分组的多轮对称数字图像加密方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于比特位分组多轮对称加密的数字图像加密方法及系统。包括：图像获取模块，用于获取各种形式的图像信息；预处理模块，用于将获取到的图像信息处理成统一的格式，使其能够被加密模块识别和处理；加密模块，用于根据所述比特位分组多轮对称加密方法对输入图像进行加密变换，确定加密图像；密文传输模块，用于将加密图像从发送方无损地传输到接收方；密钥传输模块，用于将密钥从发送方以安全可靠的方式的传送给接收方；解密模块，用于对加密图像进行解密变换，恢复出原始图像；后处理模块，用于将解密出的原始图像处理成用户所需的形式；图像输出模块，用于将解密出的原始图像以特定的形式输出。本发明专利技术相对于非对称加密效率更高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于比特位分组的多轮对称数字图像加密方法及系统
本专利技术涉及信息安全、隐私保护和数字图像保密通信
，特别是涉及一种基于比特位分组多轮对称加密的数字图像加密方法及系统。
技术介绍
互联网每时每刻都会通过各种方式生成并传输大量的数字信息。其中，数字图像是一种广泛使用的数据格式，因为它以可视化的方式承载信息。在遍布网络的数字图像中，有些是机密图像，所有者不希望其他人未经授权访问，一个典型的例子是军事机密图像。因此，保护这些秘密图像的内容极为重要。为了保护数字图像，研究人员开发出了多种不同的技术，例如数据隐藏，水印和加密等等。在这些技术中，图像加密通过各种特定的变换算法将有意义的图像转换为无法识别的类似噪声的图像，从而为数字图像的保密通信提供了最直接的方法。大多数图像加密算法通常依据众所周知的“置乱-扩散”模式来设计。其中置乱特性是通过随机分离数字图像中相邻的像素来实现的，而扩散特性则可以通过将普通图像中的小变化散布到密文图像的所有像素中来获得。收到密文图像的通信主体只有拥有正确的密钥，才能重建原始图像信息。没有正确的密钥，就无法访问原始图像中的任何信息。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高效可靠的数字图像加密方法及系统。本专利技术的具体的技术方案如下：一种基于比特位分组的多轮对称数字图像加密方法，所述方法包括：根据原始数字图像各点的像素值获取输入图像矩阵；对所述输入图像矩阵各点的像素值按照其二进制比特位进行拆分，确定高比特位输入图像矩阵和低比特位输入图像矩阵；根据预设置乱算法和预设密钥值，对所述高比特位输入图像矩阵进行置乱操作，确定高比特位置乱图像矩阵；根据预设扩散算法和预设密钥值，对所述低比特位输入图像矩阵进行扩散操作，确定低比特位扩散图像矩阵；利用所述低比特位扩散图像矩阵对所述高比特位置乱图像矩阵逐元素进行异或操作，确定高比特位扩散图像矩阵；根据预设像素交换算法和预设密钥值，对所述高比特位扩散图像矩阵和所述低比特位扩散图像矩阵进行随机像素交换，确定高比特位加密图像矩阵和低比特位加密图像矩阵；交换所述高比特位加密图像矩阵和所述低比特位加密图像矩阵的值；将所述高比特位加密图像矩阵和所述低比特位加密图像矩阵的对应元素按二进制比特位进行拼接，确定第一轮加密图像矩阵。将所述第一轮加密图像矩阵作为新的输入图像矩阵，重复执行前述所有加密操作n-1次，确定第n轮加密图像矩阵。可选的，所述根据预设置乱算法和预设密钥值，对所述高比特位输入图像矩阵进行置乱操作，确定高比特位置乱图像矩阵，包括：根据所述高比特位输入图像矩阵的行数值、列数值和预设密钥值，通过Logistic-Tent耦合混沌映射生成第一混沌索引矩阵和第二混沌索引矩阵；根据所述高比特位输入图像矩阵、所述第一混沌索引矩阵和所述第二混沌索引矩阵，对所述高比特位输入图像矩阵中不同位置的像素进行交换，确定高比特位置乱图像矩阵。可选的，根据预设扩散算法和预设密钥值，对所述低比特位输入图像矩阵进行扩散操作，确定低比特位扩散图像矩阵，包括：根据所述低比特位输入图像矩阵的行数值、列数值和预设密钥值，通过Logistic-Chebyshev耦合混沌映射生成第一混沌扩散序列和第二混沌扩散序列；将所述低比特位输入图像矩阵转化为一维像素序列；根据所述低比特位输入图像像素序列和所述第一混沌扩散序列，通过按位异或操作进行前向扩散，确定低比特位前向扩散图像像素序列；根据低比特位前向扩散图像像素序列和所述第二混沌扩散序列，通过加法、取模和异或操作进行逆向扩散，确定低比特位扩散图像像素序列。将所述低比特位扩散图像像素序列重新排列成矩阵形式，确定低比特位扩散图像矩阵。可选的，根据预设像素交换算法和预设密钥值，对所述高比特位扩散图像矩阵和所述低比特位扩散图像矩阵进行随机像素交换，确定高比特位加密图像矩阵和低比特位加密图像矩阵，包括：根据所述高比特位扩散图像矩阵和所述低比特位扩散图像矩阵的尺寸和预设密钥值，通过Gauss-Chebyshev耦合混沌映射生成混沌交换指示矩阵；根据所述混沌交换指示矩阵对所述高比特位扩散图像矩阵和所述低比特位扩散图像矩阵的对应位置像素进行交换，确定所述高比特位加密图像矩阵和低比特位加密图像矩阵。可选的，所述加密轮次n一般取大于4的整数以保证安全性。另外，本专利技术还提供了一种基于所述比特位分组多轮对称加密方法的数字图像保密通信系统，包括：图像获取模块，用于获取各种形式的图像信息；预处理模块，用于将获取到的图像信息处理成统一的格式，使其能够被加密模块识别和处理；加密模块，用于根据所述比特位分组多轮对称加密方法对输入图像进行加密变换，确定加密图像；密文传输模块，用于将加密图像从发送方无损地传输到接收方；密钥传输模块，用于将密钥从发送方以安全可靠的方式的传送给接收方；解密模块，用于对加密图像进行解密变换，恢复出原始图像；后处理模块，用于将解密出的原始图像处理成用户所需的形式；图像输出模块，用于将解密出的原始图像以特定的形式输出。本专利技术的有益技术效果如下：1、所述基于比特位分组的多轮对称数字图像加密方法将输入图像拆分为高比特位图像和低比特位图像分别进行处理，对高比特位图像的置乱操作和对低比特位图像的扩散操作可以并行，提高了加解密效率；2、所述加密算法采用三种不同的耦合混沌映射生成伪随机数，有效避免了使用单一混沌系统可能存在的退化问题，并且提高了加密系统的复杂度，从而提升了安全性；3、所述加密方法采用多轮重复的方式进行堆叠，每一轮内部的逻辑相对比较简单，加密轮次可由用户自行配置，从而提升了系统的灵活性和扩展能力，使得用户能够在性能和安全性之间取得平衡；4、所述加密方法整体采用了对称加密的方式，相对于非对称加密效率更高；5、所述保密通信系统通过预处理模块和后处理模块完成数字图像在加密处理格式和其它格式之间的转换，使得系统能够处理任何形式的图像信息，也能够根据用户需求输出任意形式的解密图像，整个系统具有较强的通用性。附图说明图1为本专利技术实施例提供的一种基于比特位分组的多轮对称数字图像加密方法的流程图；图2为本专利技术实施例提供的一种基于所述比特位分组多轮对称加密方法的数字图像保密通信系统的结构示意图。具体实施方式以下将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行详细描述。第一方面，本专利技术实施例提供了一种基于比特位分组的多轮对称数字图像加密方法。如图1所示，该方法的执行流程为：步骤100：根据原始数字图像各点的像素值获取输入图像矩阵，令当前轮次计数k＝1。在实施中，加密应用程序获取到的图像应当是一个单通道的二维整数矩阵，矩阵的每个元素代表图像在该采样点的灰度值。本实施例对输入图像的颜色深度不作限定，对于常见的8比特、10本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于比特位分组的多轮对称数字图像加密方法，所述方法包括如下步骤：/n(1.1)根据原始数字图像各点的像素值获取输入图像矩阵；/n(1.2)对所述输入图像矩阵各点的像素值按照其二进制比特位进行拆分，确定高比特位输入图像矩阵和低比特位输入图像矩阵；/n(1.3)根据预设置乱算法和预设密钥值，对所述高比特位输入图像矩阵进行置乱操作，确定高比特位置乱图像矩阵；/n(1.4)根据预设扩散算法和预设密钥值，对所述低比特位输入图像矩阵进行扩散操作，确定低比特位扩散图像矩阵；/n(1.5)利用所述低比特位扩散图像矩阵对所述高比特位置乱图像矩阵逐元素进行异或操作，确定高比特位扩散图像矩阵；/n(1.6)根据预设像素交换算法和预设密钥值，对所述高比特位扩散图像矩阵和所述低比特位扩散图像矩阵进行随机像素交换，确定高比特位加密图像矩阵和低比特位加密图像矩阵；/n(1.7)交换所述高比特位加密图像矩阵和所述低比特位加密图像矩阵的值；/n(1.8)将所述高比特位加密图像矩阵和所述低比特位加密图像矩阵的对应元素按二进制比特位进行拼接，确定第一轮加密图像矩阵；/n(1.9)将所述第一轮加密图像矩阵作为新的输入图像矩阵，重复执行前述所有加密操作n-1次，确定第n轮加密图像矩阵。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于比特位分组的多轮对称数字图像加密方法，所述方法包括如下步骤：
(1.1)根据原始数字图像各点的像素值获取输入图像矩阵；
(1.2)对所述输入图像矩阵各点的像素值按照其二进制比特位进行拆分，确定高比特位输入图像矩阵和低比特位输入图像矩阵；
(1.3)根据预设置乱算法和预设密钥值，对所述高比特位输入图像矩阵进行置乱操作，确定高比特位置乱图像矩阵；
(1.4)根据预设扩散算法和预设密钥值，对所述低比特位输入图像矩阵进行扩散操作，确定低比特位扩散图像矩阵；
(1.5)利用所述低比特位扩散图像矩阵对所述高比特位置乱图像矩阵逐元素进行异或操作，确定高比特位扩散图像矩阵；
(1.6)根据预设像素交换算法和预设密钥值，对所述高比特位扩散图像矩阵和所述低比特位扩散图像矩阵进行随机像素交换，确定高比特位加密图像矩阵和低比特位加密图像矩阵；
(1.7)交换所述高比特位加密图像矩阵和所述低比特位加密图像矩阵的值；
(1.8)将所述高比特位加密图像矩阵和所述低比特位加密图像矩阵的对应元素按二进制比特位进行拼接，确定第一轮加密图像矩阵；
(1.9)将所述第一轮加密图像矩阵作为新的输入图像矩阵，重复执行前述所有加密操作n-1次，确定第n轮加密图像矩阵。


2.根据权利要求1所述的一种基于比特位分组的多轮对称数字图像加密方法，其特征在于，所述步骤(1.3)具体如下：
(2.1)根据所述高比特位输入图像矩阵的行数值、列数值和预设密钥值，通过Logistic-Tent耦合混沌映射生成第一混沌索引矩阵和第二混沌索引矩阵；
(2.2)根据所述高比特位输入图像矩阵、所述第一混沌索引矩阵和所述第二混沌索引矩阵，对所述高比特位输入图像矩阵中不同位置的像素进行交换，确定高比特位置乱图像矩阵。


3.根据权利要求2所述一种基于比特位分组的多轮对称数字图像加密方法，其特征在于，所述确定高比特位置乱图像矩阵的具体方法如下：
步骤一：根据预设密钥值x1,r1和下列(1)-(2)式定义的Logistic-Tent耦合混沌系统，生成一个长度为2MN的混沌伪随机序列，其中M×N是所述输入图像的尺寸，x1作为混沌系统的初始值，r1作为混沌系统的控制参数；
xn+1＝h((4rxn(1-xn)+2(1-r)min{xn,1-xn})mod1)#(1)
其中，



步骤二：取生成的混沌序列的前MN个元素，将其值转化为[1,M]之间的整数，并将一维序列重排为大小为M×N的矩阵，从而确定所述第一混沌索引矩阵I1；
步骤三：取生成的混沌序列的后MN个元素，将其值转化为[1,N]之间的整数，并将一维序列重排为大小为M×N的矩阵，从而确定所述第二混沌索引矩阵I2；
步骤四：对于所述高比特位输入图像矩阵H，按照从左到右，从上到下的顺序依次遍历每个元素H(i,j)，将其与元素H(I1(i,j),I2(i,j))交换位置；
步骤五：所有元素处理完成后，得到所述高比特位置乱图像矩阵。


4.根据权利要求1所述的一种基于比特位分组的多轮对称数字图像加密方法，其特征在于，所述步骤(1.4)具体如下：
(4.1)根据所述低比特位输入图像矩阵的行数值、列数值和预设密钥值，通过Logistic-Chebyshev耦合混沌映射生成第一混沌扩散序列和第二混沌扩散序列；
(4.2)将所述低比特位输入图像矩阵转化为一维像素序列；
(4.3)根据所述低比特位输入图像像素序列和所述第一混沌扩散序列，通过按位异或操作进行前向扩散，确定低比特位前向扩散图像像素序列；
(4.4)根据低比特位前向扩散图像像素序列和所述第二混沌扩散序列，通过加法、取模和异或操作进行逆向扩散，确定低比特位扩散图像像素序列；
(4.5)将所述低比特位扩散图像像素序列重新排列成矩阵形式，确定低比特位扩散图像矩阵。


5.根据权利要求4所述的一种基于比特位分组的多轮对称数字图像加密方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：李保滨，胡国真，
申请(专利权)人：中国科学院大学，
类型：发明
国别省市：北京;11