混合混沌与分块置乱的图像加密算法制造技术

本发明专利技术公开了混合混沌与分块置乱图像加密算法，具体包括以下步骤：S1、先将图像的像素按4个像素点为单元进行分块，S2、对每个块的4个像素点利用两个混沌系统产生的混合混沌伪随机序列进行块内置乱，再对图像的所有像素点进行整体置乱，S3、然后再利用两个混沌系统产生的混合混沌伪随机序列对置乱后的图像像素矩阵进行扩散，S4、最后使用MATLAB软件对算法进行仿真，并对该算法进行分析，本发明专利技术涉及混沌图像加密技术领域。该混合混沌与分块置乱图像加密算法，通过将置乱方式与混合混沌系统相互结合，并应用混合混沌对置乱操作进行控制以充分利用密钥空间，会增强图像加密性能，从而提升图像加密的抗攻击性。提升图像加密的抗攻击性。提升图像加密的抗攻击性。

【技术实现步骤摘要】
混合混沌与分块置乱的图像加密算法


[0001]本专利技术涉及混沌图像加密
，具体为混合混沌与分块置乱图像加密算法。

技术介绍

[0002]图像是自然事物的客观反应，是人类感知外界的基础，也是如今人类社会发展和信息技术更新以及计算机存储方式中不可缺少的元素。因为图像对事物描述的直观性，相对于文字信息，图像信息更加生动形象明了，因而倍受人们青睐。然而，图像信息往往涉及人们的个人隐私，不希望被未授权的第三方获取或查看，图像信息安全已成为人们关注的焦点，迫切需要一些图像加密技术对图像信息进行保护。
[0003]混沌是一种奇妙的非线性现象，由于其对初始值的敏感性、分维性、非周期性等特点，非常适合于图像加密。近年来，混沌图像加密技术引起了许多学者的关注，取得了一些研究成果。然而，目前的研究成果大多采用单一混沌系统产生的伪随机序列来对数字图像进行加密，但同一混沌系统产生的各伪随机序列之间往往存在关联性，这样势必会影响加密强度。为克服这一局限性，采用多个不同混沌系统产生的混合混沌伪随机序列来进行图像加密是一个可行的方案。但目前相关研究结果较少，且不成熟不完善。
[0004]在现有文献中，文献【张雪锋，范九伦.一种改进的基于混沌系统的数字图像加密算法[J].计算机应用研究，2007,24(4):184
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186】提出使用 Logistic和二维Henon映射两种混沌系统，通过图像位置置乱和图像扩散两个步骤完成加密，但上述方法使用的Logistic混沌存在分布不均匀的特点，可能被攻击者实行统计分析，导致密文的隐藏性存在不足。文献【王帅，孙伟，郭一楠，等.一种多混沌快速图像加密算法的设计与分析.计算机应用研究，2015,32(2):512
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516】提出了一种多混沌映射的快速图像加密算法，算法加密效率较高。文献【米曾真，朱革，张红民，等.基于复合混沌模型的高级加密标准图像加密算法.计量学报，2016，37(2):138
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142】提出了一种利用复合混沌系统的加密算法，该算法使用的皆是低维的混沌系统，密钥空间小，导致安全性不高。文献【周闰昌，黄一平，张柯翔，等.基于混合混沌系统和ECG信号的图像加密算法.计算机测量与控制，2020，28(12):191】提出了一种基于混合混沌系统和ECG信号的图像加密的算法，该加密算法对明文图像和ECG信号高度敏感，具有密钥空间大的优点，能够有效地抵抗已知明文、选择明文攻击、抗穷举攻击和差分攻击。张晓博等人在文献【张晓博，陈家慧，彭进业，等.基于复合混沌的图像加密方法.计算机应用研究 [J]，2019，36(11):3396
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3400】中提出一种由Sine混沌改变均匀分布的 Logistic混沌排列次序形成复合混沌序列的图像加密方法，但此方法使用的混沌系统维数较低，作为密钥的系统参数和初始值数量小，从而导致密钥空间较小。
[0005]在研究中发现：现有采用多个混沌系统产生混合混沌伪随机系列进行图像加密的成果可提高混沌图像加密的安全性，但现有关于混合混沌图像加密的研究成果仍存在一些值得改进之处：
[0006](1)部分文献用于产生混合混沌伪随机系列的混沌系统维数较低，容易导致密钥空间较小。
[0007](2)部分文献用于产生混合混沌伪随机系列的多个混沌系统属性单一，要么使用的都是离散混沌系统，要么均使用连续的混沌系统，未将离散混沌系统与连续混沌系统相结合，从而未能充分结合离散混沌系统和连续混沌系统的优良特性。
[0008](3)有些文献采用的置乱方式较为单一，并未使用多个混沌系统产生的混沌伪随机系列对置乱操作进行动态控制，没有充分利用密钥空间。

技术实现思路

[0009](一)解决的技术问题
[0010]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种混合混沌与分块置乱图像加密算法，通过将置乱方式与混合混沌系统相结合，并应用混合混沌对置乱操作进行控制以充分利用密钥空间，无疑会增强图像加密性能，从而提升图像加密的抗攻击性。
[0011](二)技术方案
[0012]为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：混合混沌与分块置乱图像加密算法，具体包括以下步骤：
[0013]S1、先将图像的像素按4个像素点为单元进行分块；
[0014]S2、对每个块的4个像素点利用两个混沌系统产生的混合混沌伪随机序列进行块内置乱，再对图像的所有像素点进行整体置乱；
[0015]S3、然后再利用两个混沌系统产生的混合混沌伪随机序列对置乱后的图像像素矩阵进行扩散加密；
[0016]S4、最后使用MATLAB软件对算法进行仿真，并通过密钥空间、直方图、信息熵和相邻像素相关性图像加密性能指标对该算法进行分析。
[0017]优选的，所述步骤S2中置乱的算法具体包括以下步骤：
[0018]T1、读取输入的原始图像的像素值，得到像素矩阵A；
[0019]T2、按改进的分块置乱算法对图像进行预处理，将图像像素值放入二维矩阵中，将二维矩阵分割成若干个2
×
2的矩阵块，若不能够进行整除则对较短的边进行补“0”；
[0020]T3、通过给定的两个混沌系统产生的混合混沌伪随机序列，动态选取P值，确定相应置乱种类，将矩阵按照改进的分块置乱算法进行块内置乱；
[0021]T4、通过给定的两个混沌系统产生的混合混沌伪随机序列为参数，将所有像素值进行排序置乱；
[0022]T5、经过上述步骤T1
‑
T4，得到了一个置乱矩阵。
[0023]优选的，所述步骤S2和S3中混合混沌系统伪随机序列的产生方法具体包括以下步骤：
[0024]E1、取混合混沌系统在初始时刻一段时间后的抽样作为混沌伪随机系列进行加密；
[0025]E2、取序列中元素的小数点后15位，将其化整，因为所用图片大小为256
ꢀ×
256，故将整数化的混沌伪随机序列对256取模，得到整数混沌伪随机序列。
[0026]优选的，所述混合混沌系统伪随机序列的产生选用Logistic混沌系统和四维Chen超混沌系统进行加密，具体为：
[0027]Logistic混沌系统是二维成对Logistic混沌系统：
[0028][0029]式中λ1、λ1、λ1和λ1为系统参数，当 2.75＜λ1≤3.4，2.7＜λ2≤3.45，0.15＜γ1≤0.21，0.13＜γ2≤0.15时，该混沌系统为混沌映射，其中w(n)，u(n)∈(0，1)。
[0030]四维Chen超混沌系统：
[0031][0032]其中x，y，z，q为状态变量，a，b，c，d，k为系统参数，当这些参数取某些特定的值时，系统呈现出混沌状态。
[0033]优选的，所述步骤S3中加密所采用的加密算法具体包括以下步骤：
[0034]P1、读取原始图像，将其转化成一个二维像素值矩阵，将二维矩阵切割成2
×
2的矩阵块，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.混合混沌与分块置乱图像加密算法，其特征在于：具体包括以下步骤：S1、先将图像的像素按4个像素点为单元进行分块；S2、对每个块的4个像素点利用两个混沌系统产生的混合混沌伪随机序列进行块内置乱，再对图像的所有像素点进行整体置乱；S3、然后再利用两个混沌系统产生的混合混沌伪随机序列对置乱后的图像像素矩阵进行扩散加密；S4、最后使用MATLAB软件对算法进行仿真，并通过密钥空间、直方图、信息熵和相邻像素相关性图像加密性能指标对该算法进行分析。2.根据权利要求1所述的混合混沌与分块置乱图像加密算法，其特征在于：所述步骤S2中置乱的算法具体包括以下步骤：T1、读取输入的原始图像的像素值，得到像素矩阵A；T2、按改进的分块置乱算法对图像进行预处理，将图像像素值放入二维矩阵中，将二维矩阵分割成若干个2
×
2的矩阵块，若不能够进行整除则对较短的边进行补“0”；T3、通过给定的两个混沌系统产生的混合混沌伪随机序列，动态选取P值，确定相应置乱种类，将矩阵按照改进的分块置乱算法进行块内置乱；T4、通过给定的两个混沌系统产生的混合混沌伪随机序列为参数，将所有像素值进行排序置乱；T5、经过上述步骤T1
‑
T4，得到了一个置乱矩阵。3.根据权利要求1所述的混合混沌与分块置乱图像加密算法，其特征在于：所述步骤S2和S3中混合混沌系统伪随机序列的产生方法具体包括以下步骤：E1、取混合混沌系统在初始时刻一段时间后的抽样作为混沌伪随机系列进行加密；E2、取序列中元素的小数点后15位，将其化整，因为所用图片大小为256
ꢀ×
256，故将整数化的混沌伪随机序列对256取模，得到整数混沌伪随机序列。4.根据权利要求3所述的混合混沌与分块置乱图像加密算法，其特征在于：所述混合混沌系统伪随机序列的产生选用Logistic混沌系统和四维Chen超混沌系统进行加密，具体为：Logistic混沌系统是二维成对Logistic混沌系统：式中λ1、λ2、γ1和γ2为系统参数，当2.75＜λ1≤3.4，2.7＜λ2≤3.45，0.15＜γ1≤0.21，0.13＜γ2≤0.15时，该混沌系统为混沌映射，其中w(n),u(n)∈(0,1)。四维Chen超混沌系统：其中x,y,z,q为状态变量，a,b,c,d,k为系统参数，当这些参数取某些特定的值时，系统
呈现出混沌状态。5.根据权利要求4所述的混合混沌与分块置乱图像加密算法，其特征在于：所述步骤S3中加密所采用的加密算法具体包括以下步骤：P1、读取原始图像，将其转化成一个二维像素值矩阵，将二维矩阵切割成2
×
2的矩阵块，若不能够进行整除则对较短的边进行补“0”，形成一个n
×
n的矩阵。P2、取二维Logistic函数的参数(λ1,λ2,γ1,γ2)的值分别为(3.01,2.8,0.16,0.14)，状态变量的初始值w(0),u(0)为(3.01,2.8)，作为密钥，代入离散混沌系统Logistic混沌系统，去掉前400项，得到混沌实数混沌伪随机序列w
i
,u
i
；P3、取四维Chen超混沌系统的参数a＝35,b＝3...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈云，王家俊，陈璐，李强，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：