【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及数字图像加密的，尤其涉及一种基于分块选取zigzag置乱和轮盘旋转编码的图像加密方法。
技术介绍
1、随着计算机技术和多媒体通信的飞速发展，大量的图像、音频和视频等信息通过云服务进行存储、共享和传输，尤其在电子商务、医学、军事等领域。然而，网络上的图像存在着多种威胁和攻击，如盗窃、篡改和伪造等。这不仅对个人造成损害，还可能导致巨大的经济和政治损失。所以，确保数字图像内容的安全成为亟需解决的重要问题。图像加密作为一种有效的图像信息安全保护方法，在数据隐藏、隐私保护等领域有着广泛的应用。然而，传统的图像加密方案加密效率较低。因此，研究安全高效的方法至关重要。
2、相对于传统的图像加密方法，基于混沌系统的加密方法具有更高的加密效率。因此，很多研究者提出了基于混沌系统的图像加密方案。1989年，数学家matthews首次将混沌引入加密系统，提出并解释了混沌密码学的概念。fairouz belilita对一维logistic映射进行了改进，通过扩大控制参数的混沌范围提高了混沌系统的性能，并将改进的logistic映射应用于灰度图像的加密，得到了很好的加密效果。ma提出了二维逻辑余弦级联映射(2d-lccm)和三维逻辑余弦级联映射(3d-lccm)，分析了2d-lccm和3d-lccm的混沌性质，同时把2d-lccm与zigzag置乱相结合进行置乱，把3d-lccm与dna编码算法结合进行扩散，该方案高效率和抗干扰性能强的优点，可以有效地应用于图像加密过程中。zhang在lorenz系统中加入一个包含正弦函数的非线
3、zigzag置乱在图像加密中的应用也是很常见的，许多研究者提出了大量基于zigzag置乱的图像加密方案。zhang提出了一种新的三维变换之字形扩散算法，将明文图像像素值排列成立方体形状，利用伪随机矩阵进行之字形扩散，该方案能够抵抗不同类型攻击。wang提出了一种基于扩展之字形置乱和rna运算的混沌图像加密算法，不仅可以处理非方阵形式的图像，而且可以从四个方向选择来确定加密过程开始的位置；该方案不仅解决了在每轮加密中某些元素总保持在相同位置的问题，同时rna矩阵的编码规则完全由混沌序列控制，这使得操作结果更具不可预测性；实验仿真和性能分析数据表明，该加密算法具有较高的安全性能。li等人提出了一种基于三维混沌映射的彩色图像zigzag加密方案，实验表明，该方法具有很强的抗暴力攻击和统计攻击能力，但缺乏差分攻击分析。
4、单纯像素级置乱仅能改变像素位置，为了增强置乱效果，很多研究者提出了包含比特级置乱的图像加密算法。xu提出了一种基于三维位矩阵和正交拉丁立方体的图像加密算法，与大多数现有的图像加密算法不同，该算法将原始图像视为三维位矩阵，并使用拉丁立方体进行置乱和扩散。三维位矩阵和拉丁立方体的结合使得该算法既达到了理想的安全水平，又具有较高的效率。wen提出了一种基于二进制位平面提取和多重混沌映射的图像加密系统，该系统主要包括高4位平面的位级置换和低4位平面的异或扩散，具有较低的计算复杂度，但对于选择明文攻击的安全性不高，容易被破解。
5、扩散是图像加密的一个重要阶段，常见的是单向扩散很容易被破解。为此，一些学者提出了多向扩散的加密算法。liu提出了基于改进dna编码和快速扩散的彩色图像加密算法，扩散阶段分别以矩阵和矢量为扩散单元，对彩色图像的三个通道进行三维六向扩散，该方案具有较高的安全性，但加密效率不高。hussain muhammad提出了沿对角-反对角方向进行置乱扩散的图像加密方案，该方案对给定输入图像像素的置乱和扩散操作以并行方式进行，具有较高的安全性。但是这些扩散仍旧是按照顺序对像素值处理，易被破解。
技术实现思路
1、针对现有图像加密方法计算复杂度稿，安全性低的技术问题，本专利技术提出一种基于分块选取zigzag置乱和轮盘旋转编码的图像加密方法，对密钥和明文图像高度敏感，实现了像素级和比特级的双重置乱，打破了图像像素间的高度相关性，提升了图像加密的安全性。
2、为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种基于分块选取zigzag置乱和轮盘旋转编码的图像加密方法，其步骤如下：
3、步骤一：使用sha-384算法计算大小为m×n的明文图像p的哈希值h，根据哈希值h计算4d超混沌系统的初始值；将初始值带入4d超混沌系统进行迭代得到四个混沌序列x、y、z和w；
4、步骤二：选取混沌序列z和w中多组元素并分别转化为取值小于m、小于n的元素得到序列u、v，利用序列u、v的值选取坐标值，根据随机zigzag置乱方法置乱明文图像p得到矩阵p1；
5、步骤三：将矩阵p1分成若干个2×2的小像素块并把每个小像素块中像素值转换成四进制，按照四进制位置乱法进行置乱得到置乱后的像素矩阵p2；
6、步骤四：将混沌序列x的值映射到1-8的范围内得到序列x′，将混沌序列y的值转化为0或1得到序列y′；把像素矩阵p2按行展开为一维序列，轮盘旋转编码算法利用序列x′、y′对一维序列进行扩散，把扩散后的一维序列重新转换成矩阵得到图像矩阵p3；
7、步骤五：将混沌序列z和w分别转化为取值为0-255的序列z1、w1并分别转化为混沌矩阵z′、w′；将混沌序列x排序并把索引序列转换成索引矩阵，利用混沌矩阵z′、w′将矩阵p3按索引矩阵的索引顺序双向非顺序扩散，得到密文图像c。
8、优选地，所述计算4d超混沌系统的初始值的方法为：将明文图像输入到sha-384算法中输出384位二进制的哈希值h，将哈希值h等分为48组二进制序列每组8位，得到hk＝h1,h2,h3,…h48，将48组二进制序列进行运算，计算4d超混沌系统的初始值x0、y0、z0、w0为：
9、
10、
11、其中，k1～k8为中间变量，1≤i2≤8，为异或运算，mod为取模函数。
12、优选地，所述4d超混沌系统的表达式为：
13、
14、其中，x、y、z、w为状态变量，为状态变量x、y、z、w的导数，a、b、c、d是影响4d超混沌系统行为的控制参数；当控制参数a＝15.5、b＝50、c＝3.6、d＝0.2时，4d超混沌系统处于超混沌状态；
15、初始值带入4d超混沌系统中迭代1000+m×n次，舍去前1000迭代结果得到四个混沌序列x、y、z和w。
16、优选地，所述随机zigzag置乱方法的实现方法为是：根据序列u、v得到l对坐标值，由坐标值确定明文图像p中小矩阵的范围，并依次对l组小像素矩阵进行zigzag置乱得到矩阵p1；
17、所述zigzag置乱是从小像素矩阵的左上角开始，先沿垂直方向移动，然后沿本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于分块选取Zigzag置乱和轮盘旋转编码的图像加密方法，其特征在于，其步骤如下：
2.根据权利要求1所述的基于分块选取Zigzag置乱和轮盘旋转编码的图像加密方法，其特征在于，所述计算4D超混沌系统的初始值的方法为：将明文图像输入到SHA-384算法中输出384位二进制的哈希值H，将哈希值H等分为48组二进制序列每组8位，得到Hk＝h1,h2,h3,…h48，将48组二进制序列进行运算，计算4D超混沌系统的初始值x0、y0、z0、w0为：
3.根据权利要求1或2所述的基于分块选取Zigzag置乱和轮盘旋转编码的图像加密方法，其特征在于，所述4D超混沌系统的表达式为：
4.根据权利要求3所述的基于分块选取Zigzag置乱和轮盘旋转编码的图像加密方法，其特征在于，所述随机Zigzag置乱方法的实现方法为是：根据序列U、V得到L对坐标值，由坐标值确定明文图像P中小矩阵的范围，并依次对L组小像素矩阵进行Zigzag置乱得到矩阵P1；
5.根据权利要求4所述的基于分块选取Zigzag置乱和轮盘旋转编码的图像加密方法，其特征在于，所述
6.根据权利要求1、2、4、5中任意一项所述的基于分块选取Zigzag置乱和轮盘旋转编码的图像加密方法，其特征在于，所述四进制位置乱法的实现方法为：
7.根据权利要求6所述的基于分块选取Zigzag置乱和轮盘旋转编码的图像加密方法，其特征在于，所述步骤2)中顺序排列的方法为四位二进制数的四位从高到低依次按照左上、右上、左下、右下排列；
8.根据权利要求1所述的基于分块选取Zigzag置乱和轮盘旋转编码的图像加密方法，其特征在于，所述轮盘旋转编码算法为基于多阶轮盘旋转编码的四阶轮盘编码算法，首先将像素矩阵P2转换为一维序列，并将一维序列中的数字划分为每四个一组，每次取出一组数，把一组数中的四个数分别转换为八位二进制；按照从高位到低位的顺序将四个数的八位二进制顺时针排列在轮盘点上，且四个数按照从轮盘的外环向内环的顺序排列；接着使用序列X′和Y′控制每阶轮盘的旋转角度和方向，每个轮盘可以顺时针或逆时针旋转45×i3°，i3＝1,2,3,4,5,6,7,8，旋转之后重新按列提取比特位，得到四个新的八位二进制数，将提取出的四个二进制数转换为十进制；继续提取下一组数执行相同的操作，直到所有数都完成了旋转操作，得到新的像素矩阵。
9.根据权利要求8所述的基于分块选取Zigzag置乱和轮盘旋转编码的图像加密方法，其特征在于，所述轮盘旋转编码算法进行扩散的方法为：
10.根据权利要求1、8、9中任意一项所述的基于分块选取Zigzag置乱和轮盘旋转编码的图像加密方法，其特征在于，将混沌序列X按升序排列得到索引序列，将索引序列转换为大小为M×N的矩阵作为索引矩阵I，对矩阵P3进行双向扩散的方法为：
...【技术特征摘要】
1.一种基于分块选取zigzag置乱和轮盘旋转编码的图像加密方法，其特征在于，其步骤如下：
2.根据权利要求1所述的基于分块选取zigzag置乱和轮盘旋转编码的图像加密方法，其特征在于，所述计算4d超混沌系统的初始值的方法为：将明文图像输入到sha-384算法中输出384位二进制的哈希值h，将哈希值h等分为48组二进制序列每组8位，得到hk＝h1,h2,h3,…h48，将48组二进制序列进行运算，计算4d超混沌系统的初始值x0、y0、z0、w0为：
3.根据权利要求1或2所述的基于分块选取zigzag置乱和轮盘旋转编码的图像加密方法，其特征在于，所述4d超混沌系统的表达式为：
4.根据权利要求3所述的基于分块选取zigzag置乱和轮盘旋转编码的图像加密方法，其特征在于，所述随机zigzag置乱方法的实现方法为是：根据序列u、v得到l对坐标值，由坐标值确定明文图像p中小矩阵的范围，并依次对l组小像素矩阵进行zigzag置乱得到矩阵p1；
5.根据权利要求4所述的基于分块选取zigzag置乱和轮盘旋转编码的图像加密方法，其特征在于，所述随机zigzag置乱方法的实现方法为：在明文图像p的像素矩阵中随机选取30组小矩阵，分别对每个小矩阵进行zigzag置乱，随机zigzag置乱方法的步骤为：判断坐标值：如果u(i1)≠v(i1)且u(i1+1)≠v(i1+1)，{min(u(i1+1),v(i1+1)),min(u(i1),v(i1))}作为小矩阵的左上顶点坐标，{max(u(i1+1),v(i1+1)),max(u(i1),v(i1))}作为小矩阵的右下顶点坐标，根据左上顶点坐标和右下顶点坐标选取明文图像对应区域的小矩阵并进行zigzag置乱；如果u(i1)＝v(i1)或u(i1+1)＝v(i1+1)，选取的是行数为1或列数为...
【专利技术属性】
技术研发人员：宋文军，齐汝宾，张勋才，刘梦蕊，郭丹蕾，韩聪慧，
申请(专利权)人：郑州轻工业大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。