基于混合混沌和Arnold变换的图像加密算法制造技术

本发明专利技术公开了基于混合混沌和Arnold变换的图像加密算法，具体包括以下步骤：S1、先采用两个混沌系统产生的混合混沌伪随机序列作为参数对Arnold变换进行动态抽取，生成变换规则；S2、然后将图像像素矩阵与两个混沌系统产生的混合混沌伪随机序列矩阵进行异或运算生成扩散矩阵；S3、之后使用MATLAB软件对算法进行仿真，本发明专利技术涉及混沌图像加密技术领域。该基于混合混沌和Arnold变换的图像加密算法，通过采用两个混沌系统产生的混合混沌伪随机序列作为参数对Arnold变换进行动态抽取生成变换规则的置乱，保密强度高，其混沌伪随机系列为两个混沌系统产生的混合混沌，作为密钥的参数和初始值较多，密钥空间大。密钥空间大。密钥空间大。

【技术实现步骤摘要】
基于混合混沌和Arnold变换的图像加密算法


[0001]本专利技术涉及混沌图像加密
，具体为基于混合混沌和Arnold变换 的图像加密算法。

技术介绍

[0002]随着移动通信技术和网络技术的发展，人类进入了网络时代，智能手机、 平板电脑等移动终端的使用越来越普及。在这一大背景下，图像信息由于其 对事物描述的直观、生动、形象、明了等优点，已成为人们信息交流的主要 媒介。然而，图像数据往往涉及到人们的个人隐私，在网络这一开放的空间 里极易被人窃取篡改，人们的隐私信息面临巨大的安全隐患，因而迫切需要 一些图像加密技术对图像信息进行保护。
[0003]作为一种独特的非线性现象，混沌由于其初始值敏感性、非周期性、分 维性等特点，非常适合于图像加密。近年来，混沌加密技术已成为图像加密 领域的一个热点，取得了一些成果。然而，这些成果大多采用单一混沌系统 产生的伪随机序列来加密图像信息，但值得注意的是，同一混沌系统产生的 各伪随机序列之间通常具有关联性，且相对于多个混沌系统产生的伪随机序 列而言，其作为密钥的初始值和参数值数量较小，从而导致密钥空间较小， 这样势必会影响加密强度。为此，采用多个不同的混沌系统产生混合混沌伪 随机序列来对图像进行加密是一个不错的选择，但目前该方向的研究成果却 不多见。
[0004]在现有关于多个混沌系统的混合混沌图像加密的文献中，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
‑
142】提出了一种基于多个混沌系统的图像加密算法， 但该算法采用的混沌系统均是低维混沌系统，密钥空间小，导致安全性不高。 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
‑
3400】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。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
‑
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。
[0005]值得注意的是，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，但仍存在一些值得改进之处， 具体如下：
[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，密钥空间利用不够充分。
[0009]因此，将其它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，无疑会增强图像加密性能，从而提升 图像加密的抗攻击性。
[0010]Arnold变换也称为猫映射，因为使用一张猫脸来演示变换过程而得名。 经典Arnold变换是一个二维可逆映射，可表示为：
[0011][0012]上式定义了矩阵A，注意到行列式|A|＝1，因此Arnold变换是一个保面 积映射(没有吸引子)。同时Arnold变换是一个一一映射，单位矩阵内的每一 点唯一地变换到单位矩阵内的另一点。Arnold变换是在[0,n
‑
1]×
[0,n
‑
1]上的一 对一变换。
[0013]对于图像加密中的置乱算法，一些学者在研究图像加密时，采用了许多 置乱方法，Arnold变换是其中的一种。马在光等人在文献【马在光，丘水生. 基于广义猫映射的一种图像加密系统[J].通信学报，2003，24(2):51
‑
57】 中将图像的像素坐标和灰度作为Arnold变换的初始值，映射参数和迭代次数 作为密钥，对图像进行加密。文献【吴茂成.离散Arnold变换改进及其在图 像置乱加密中应用.物理学报，2014，63(9)：09054.】提出了离散Arnold变 换的改进方法，并将其用于图像置乱。该方法利用现有离散标准映射的构造 思想，将传统离散二维Arnold变换表达式中第一个变换表达式所对应的变换 结果非线性融入第二个变换表达式，实现经典离散二维Arnold变换的非线 性去拟仿射化修改，以便快速改善图像置乱加密效果。陈宝文等人在文献【陈 宝文，陈彦安.基于Arnold变换与混沌系统的位级图像加密.信息通信，2020， 214：36
‑
39】中首先对原始图像分解成8幅二进制图像，并利用Arnold变换 对每幅二进制图像进行像素位置置乱。然后把置乱后的8幅二进制图像重叠 一起并进行转换，从而得到置乱后的灰度图像，接着利用混沌系统产生的混 沌序列对置乱后的图像进行线性扩散与置乱。
[0014]但值得注意的是，以上利用Arnold变换的方法对图像进行置乱操作时， 置乱的密钥使用输入若干键的ASCII码作为参数及迭代次数，且每次迭代均 采用同一种Arnold变换进行多次迭代，这既导致迭代的次数少，且采用同一 种方法连续迭代，大大降低了图像的加密强度。

技术实现思路

[0015](一)解决的技术问题
[0016]针对现有技术的不足，本专利技术提供了基于混合混沌和Arnold变换的图像 加密算法，解决了现有基于Arnold变换加密算法固定使用一种迭代规则，导 致迭代规则单一的问题。
[0017](二)技术方案
[0018]为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：基于混合混沌和 Arnold变换的图像加密算法，具体包括以下步骤：
[0019]S1、先采用两个混沌系统产生的混合混沌伪随机序列作为参数对Arnold 变换进行动态抽取，生成变换规则；
[0020]S2、然后将图像像素矩阵与两个混沌系统产生的混合混沌伪随机序列矩 阵进行
异或运算生成扩散矩阵进行加密；
[0021]S3、之后使用MATLAB软件对算法进行仿真，并通过密钥空间、直方图、 信息熵、相邻像素相关性等图像加密性能指标对该算法进行分析。
[0022]优选的，所述步骤S1中对Arnold变换进行动态抽取的置乱算法具体保 赔款以下步骤：
[0023]T1、读取输入原始图像的像素值，得到像素矩阵A；
[0024]T2、以给定的混沌序列为参数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于混合混沌和Arnold变换的图像加密算法，其特征在于：具体包括以下步骤：S1、先采用两个混沌系统产生的混合混沌伪随机序列作为参数对Arnold变换进行动态抽取，生成变换规则；S2、然后将图像像素矩阵与两个混沌系统产生的混合混沌伪随机序列矩阵进行异或运算生成扩散矩阵进行加密；S3、之后使用MATLAB软件对算法进行仿真，并通过密钥空间、直方图、信息熵、相邻像素相关性等图像加密性能指标对该算法进行分析。2.根据权利要求1所述的基于混合混沌和Arnold变换的图像加密算法，其特征在于：所述步骤S1中对Arnold变换进行动态抽取的置乱算法具体包括以下步骤：T1、读取输入原始图像的像素值，得到像素矩阵A；T2、以给定的混沌序列为参数，确定P的值，选取一种变换矩阵，将像素矩阵的A位置进行的Arnold变换；T3、重复步骤T2过程N次；T4、经过上述步骤T1
‑
T3，得到了一个置乱矩阵B。3.根据权利要求2所述的基于混合混沌和Arnold变换的图像加密算法，其特征在于：所述步骤T3中每次迭代，利用一个参数P∈{0,1,2,3}来选取其中的一种变换方法，即动态选取以下四种变换矩阵之一：在选择P值时，根据混合混沌系统产生的混沌伪随机序列，经过取整、取模等处理后，动态地选择P值，进而动态地选择四种变换模式中的一种进行置乱。4.根据权利要求1所述的基于混合混沌和Arnold变换的图像加密算法，其特征在于：所述步骤S2中采用混合混沌系统生成的混沌序列，重塑成混沌矩阵，最后将置乱矩阵和混沌矩阵进行异或运算，实现最终的加密，通过采用以下两个混沌系统进行加密：Logistic混沌系统是二维成对Logistic混沌系统：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)。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所述的基于混合混沌和Arnold变换的图像加密算法，其特征在于：所
述步骤S2中加密算法的具体加密步骤如下：E1、读取原始图像，将其转化成一个二维像素值矩阵，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；E2、输入二维Logistic函数的参数,(λ1,λ2,γ1,γ2)的值分别取(3.01,2.8,0.)，状态变量的初始值w(1),u(1)为(3.01,2.8)代入离散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
；E3、输入四维Chen超混沌系统的参数a＝35,b＝3,c＝12,d＝7,k＝0.58，状态变量的初始值...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈云，王家俊，袁志民，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：