一种具有明文相关置乱机制的快速混沌图像加密方法技术

本发明专利技术提出一种具有明文相关置乱机制的快速混沌图像加密方法，属于图像处理技术领域，本发明专利技术其置乱算法基于像素点交换机制，交换目标的位置由logistic混沌映射生成；置乱密钥，即logistic映射的初始状态，由明文图像的City哈希值所确定；基于哈希函数的雪崩特性和混沌系统对初值的极端敏感性，两幅明文图像间即使只存在微小的差异，也将产生完全不同的置乱效果；这种与明文相关的置乱方法可有效加速扩散过程，并提高扩散强度；扩散性能分析测试表明，本发明专利技术方法通过降低相对耗时的扩散过程所需的迭代轮数，获得了加密速度的提升。

A fast chaotic image encryption method with plaintext correlation scrambling mechanism

The invention provides a fast chaotic image encryption method the plaintext scrambling mechanism, which belongs to the technical field of image processing, the invention of the scrambling algorithm based on pixel exchange mechanism, exchange the position of the target generated by Logistic chaotic map; scrambling key, logistic mapping of the initial state, determined by the plain image City hash value; extreme sensitivity avalanche characteristics of hash function and chaotic system to initial conditions based on the two original image even if only minor differences exist between, will also have a completely different scrambling effect; scrambling method this paper and Ming can effectively accelerate the diffusion process, and improve the diffusion strength; diffusion test show that the method of the invention by reducing the required diffusion process is relatively time-consuming iterative rounds, the encryption speed.

【技术实现步骤摘要】
一种具有明文相关置乱机制的快速混沌图像加密方法
本专利技术属于图像处理
，具体涉及一种具有明文相关置乱机制的快速混沌图像加密方法。
技术介绍
近年来，数字图像已成为人们进行信息交流的重要手段。与此同时，图像信息在开放网络环境下的传输存在着巨大的安全隐患，因此对图像信息进行加密至关重要。而在密码学领域中，现代密码学中的经典算法已越来越不能满足日益增长的图像实时安全传输的需求。混沌理论的出现为密码学提供了一个全新的思路。混沌系统具有的初值与系统参数极端敏感性、遍历性、轨道不可预测性以及良好的伪随机性等一系列与密码学相契合的优良特性。目前，混沌图像加密算法已成为图像信息安全的主流技术和研究热点，具有极大的应用潜力。1998年，美国学者JessicaFridrich首次提出了一种通用的图像加密架构，该架构通过“置乱”与“扩散”两个核心模块实现。在置乱阶段，图像中每个像素点位置以一种伪随机的方式被打乱；在扩散阶段，加密系统更改每个像素点的像素值并将其影响扩散至整个密文图像。在其后十余年间，世界各国学者以Fridrich所提出的架构为基础，对基于混沌的数字图像加密技术已经进行了广泛深入的研究，取得了诸多成果。与此同时，针对此项技术的密码学分析工作也蓬勃展开。近年来学者们相继发现在现有的很多方案中，存在以下共性不足：(1)混沌系统是一种非线性非周期系统，但经离散化的混沌系统一般不再具有非周期性。这意味着一幅图像在经离散混沌映射置乱若干轮后，有可能回到其初始状态，从而失去了置乱的意义。(2)对于cat、baker以及standard等常用映射，坐标点(0，0)为不动点。为克服此问题，需要对这些不动点进行专门的处理，而这导致了系统的运算量增加。(3)现有的保面积可逆混沌映射，如cat映射，baker映射以及standard映射，只能应用于正方形图像。对于更为一般的长方形图像，必须首先将其转换为正方形，这同样增加了系统的运算量。(4)扩散操作具有较高的计算负载，是影响混沌加密系统整体效率的最主要因素。面对当前越来越多的高分辨率图像的实时网络传输应用，传统混沌加密算法所引入的时延是不可忽略的。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提出了一种具有明文相关置乱机制的快速混沌图像加密方法，其置乱算法基于像素点交换机制，交换目标的位置由logistic混沌映射生成；置乱密钥，即logistic映射的初始状态，由明文图像的City哈希值所确定；基于哈希函数的雪崩特性和混沌系统对初值的极端敏感性，两幅明文图像间即使只存在微小的差异，也将产生完全不同的置乱效果；这种与明文相关的置乱方法可有效加速扩散过程，并提高扩散强度；扩散性能分析测试表明，本专利技术方法通过降低相对耗时的扩散过程所需的迭代轮数，获得了加密速度的提升。一种具有明文相关置乱机制的快速混沌图像加密方法，包括以下步骤：步骤1、设置logistic映射的控制参数、Lü系统的控制参数和扩散密钥；步骤2、按由上至下、由左至右的顺序，将待加密图像每个像素的三个颜色分量的值依次存入一个一维数组中；步骤3、根据所获得的待加密图像一维数组，对明文图像进行置乱处理，具体如下：步骤3-1、根据所获得的待加密图像一维数组获得City哈希值；步骤3-2、根据获得的City哈希值，设置logistic映射的状态变量初值；步骤3-3、根据设置的logistic映射的状态变量初值和控制参数，预迭代logistic映射使其充分进入混沌状态；步骤3-4、正式迭代logistic映射，将每次迭代得到的状态变量值依次放入一维数组中，获得logistic映射状态变量数组，该状态变量数组的长度为：待加密图像一维数组的长度-1；步骤3-5、对logistic映射状态变量数组进行量化，得到伪随机置乱序列，该序列中的每个元素表示待交换元素所在位置；步骤3-6、根据伪随机置乱序列中每个元素的对应位置，将待加密图像一维数组中的每一个元素与对应位置的元素相交换，待加密图像一维数组中最后一个元素不做置乱处理；步骤4、将置乱处理后的待加密图像一维数组进行扩散处理，具体如下：步骤4-1、生成扩散密钥流序列，该序列的长度为：待加密图像一维数组的长度；步骤4-2、根据扩散密钥流序列，对置乱处理后的待加密图像一维数组中的每一个元素实施加密；步骤5、反复执行步骤3至步骤4，进行多轮加密，获得密文图像。步骤3-2所述的根据获得的City哈希值，设置logistic映射的状态变量初值，具体公式如下：x′0＝hashp/232(1)其中，x′0表示logistic映射的状态变量初值，hashp表示待加密图像一维数组P的City哈希值。步骤3-3所述的根据设置的logistic映射的状态变量初值和控制参数，迭代logistic映射使其充分进入混沌状态，具体公式如下：x′n+1＝μx′n(1-x′n)，x′n∈[0，1]，μ∈[0，4](2)其中，μ表示logistic映射的控制参数，x′n表示logistic映射第n次迭代的状态变量值，其初始值为x′0。步骤3-5所述的对logistic映射状态变量数组进行量化，得到伪随机置乱序列，该序列中的每个元素表示待交换元素所在位置，具体公式如下：其中，rn表示待加密图像一维数组P中元素pn待交换位置，pos(qn)函数表示元素qn在logistic映射状态变量数组Q＝{q0，q1，...，q3×W×H-2}中的位置，即n；abs(qn)函数表示元素qn的绝对值；sig(num，m)函数表示num的前m位有效数字；mod(num1，num2)函数表示num1除以num2的余数，len(P)表示待加密图像一维数组P的长度。步骤4-1所述的生成扩散密钥流序列，具体如下：步骤4-1-1、预迭代Lü系统，使其充分进入混沌状态；步骤4-1-2、正式对Lü系统进行迭代，将每次迭代获得的3个状态变量存入一维数组，获得Lü系统状态变量数组，该数组的长度与待加密图像一维数组相同；步骤4-1-3、对Lü系统状态变量数组进行量化，获得扩散密钥流序列；所述的扩散密钥流序列为K＝{k0，k1，...，k3×W×H-1}，具体公式如下：ke＝mod[sig((abs(se)，m)，28].(4)其中，ke表示扩散密钥流序列中第e个元素，e＝0，1，…，3×W×H-1，W表示待加密图像的宽度，H表示待加密图像的高度，sig(num，m)函数表示num的前m位有效数字；mod(num1，num2)函数表示num1除以num2的余数。步骤4-2所述的根据扩散密钥流序列，对置乱处理后的待加密图像一维数组中的每一个元素实施加密；加密公式，具体如下：其中，ce表示对置乱处理后的待加密图像一维数组中第e个元素p′e加密得到的密文值，ke表示扩散密钥流序列中第e个元素，e＝0，1，…，3×W×H-1，W表示待加密图像的宽度，H表示待加密图像的高度，mod(num1，num2)函数表示num1除以num2的余数，ce-1表示前一个元素的密文值，初始值c-1为取值范围在[0，28]的整型常量，表示按位异或操作。本专利技术优点：(1)有效解决了目前最为常用的基于保面积可逆混沌映射方法中存在的三个缺陷，即：(a)混沌映射离散化后存在的周期性；(b)存在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有明文相关置乱机制的快速混沌图像加密方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、设置logistic映射的控制参数、Lü系统的控制参数和扩散密钥；步骤2、按由上至下、由左至右的顺序，将待加密图像每个像素的三个颜色分量的值依次存入一个一维数组中；步骤3、根据所获得的待加密图像一维数组，对明文图像进行置乱处理，具体如下：步骤3‑1、根据所获得的待加密图像一维数组获得City哈希值；步骤3‑2、根据获得的City哈希值，设置logistic映射的状态变量初值；步骤3‑3、根据设置的logistic映射的状态变量初值和控制参数，预迭代logistic映射使其充分进入混沌状态；步骤3‑4、正式迭代logistic映射，将每次迭代得到的状态变量值依次放入一维数组中，获得logistic映射状态变量数组，该状态变量数组的长度为：待加密图像一维数组的长度‑1；步骤3‑5、对logistic映射状态变量数组进行量化，得到伪随机置乱序列，该序列中的每个元素表示待交换元素所在位置；步骤3‑6、根据伪随机置乱序列中每个元素的对应位置，将待加密图像一维数组中的每一个元素与对应位置的元素相交换，待加密图像一维数组中最后一个元素不做置乱处理：步骤4、将置乱处理后的待加密图像一维数组进行扩散处理，具体如下：步骤4‑1、生成扩散密钥流序列，该序列的长度为：待加密图像一维数组的长度；步骤4‑2、根据扩散密钥流序列，对置乱处理后的待加密图像一维数组中的每一个元素实施加密；步骤5、反复执行步骤3至步骤4，进行多轮加密，获得密文图像。...

【技术特征摘要】
1.一种具有明文相关置乱机制的快速混沌图像加密方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、设置logistic映射的控制参数、Lü系统的控制参数和扩散密钥；步骤2、按由上至下、由左至右的顺序，将待加密图像每个像素的三个颜色分量的值依次存入一个一维数组中；步骤3、根据所获得的待加密图像一维数组，对明文图像进行置乱处理，具体如下：步骤3-1、根据所获得的待加密图像一维数组获得City哈希值；步骤3-2、根据获得的City哈希值，设置logistic映射的状态变量初值；步骤3-3、根据设置的logistic映射的状态变量初值和控制参数，预迭代logistic映射使其充分进入混沌状态；步骤3-4、正式迭代logistic映射，将每次迭代得到的状态变量值依次放入一维数组中，获得logistic映射状态变量数组，该状态变量数组的长度为：待加密图像一维数组的长度-1；步骤3-5、对logistic映射状态变量数组进行量化，得到伪随机置乱序列，该序列中的每个元素表示待交换元素所在位置；步骤3-6、根据伪随机置乱序列中每个元素的对应位置，将待加密图像一维数组中的每一个元素与对应位置的元素相交换，待加密图像一维数组中最后一个元素不做置乱处理：步骤4、将置乱处理后的待加密图像一维数组进行扩散处理，具体如下：步骤4-1、生成扩散密钥流序列，该序列的长度为：待加密图像一维数组的长度；步骤4-2、根据扩散密钥流序列，对置乱处理后的待加密图像一维数组中的每一个元素实施加密；步骤5、反复执行步骤3至步骤4，进行多轮加密，获得密文图像。2.根据权利要求1所述的具有明文相关置乱机制的快速混沌图像加密方法，其特征在于，步骤3-2所述的根据获得的City哈希值，设置logistic映射的状态变量初值，具体公式如下：x′0＝hashp/232(1)其中，x′0表示logistic映射的状态变量初值，hashp表示待加密图像一维数组P的City哈希值。3.根据权利要求1所述的具有明文相关置乱机制的快速混沌图像加密方法，其特征在于，步骤3-3所述的根据设置的logistic映射的状态变量初值和控制参数，迭代logistic映射使其充分进入混沌状态，具体公式如下：x′n+1＝μx′n(1-x′n)，x′n∈[0，1]，μ∈[0，4](2)其中，μ表示logistic映射的控制参数，x′n表示logistic映射第n次迭代的状态变量值，其初始值为x′0。4.根据权利要求1所述的具有明文相关置乱机制的快速混沌图像加密方法，其特征在于，步...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱连义，肖扬，高倍力，汤文扬，任勤雷，窦路，
申请(专利权)人：交通运输部水运科学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11