一种基于多涡卷混沌系统的图像加密方法技术方案

本发明专利技术属于图像处理技术，具体涉及一种基于多涡卷混沌系统的图像加密方法，该方法通过涡卷系统生成三段混沌序列，在图像像素位置变换过程中，分别用第一混沌序列和第二混沌序列进行行变换和列变换，在图像像素值替换过程中，又分别用第二混沌序列和第三混沌序列进行正向替代和反向替代，从而有效增加了加密算法的复杂度，保证了系统的安全性。

An image encryption method based on multi scroll chaotic system

The invention belongs to the technology of image processing, in particular relates to a method for image encryption based on multi scroll chaotic systems, the method of generating three chaotic sequences by the spiral system, image pixel position in the transformation process, to transform and the column transform respectively with the first second chaotic sequence and chaotic sequence, the image pixel values during the replacement. And with second chaotic sequences and third chaotic sequences of positive substitution and reverse substitution, so as to effectively increase the complexity of the encryption algorithm, to ensure the safety of the system.

【技术实现步骤摘要】
一种基于多涡卷混沌系统的图像加密方法
本专利技术涉及图像处理技术，具体地说，是一种基于多涡卷混沌系统的图像加密方法。
技术介绍
随着信息技术的发展，每天的信息传输量越来越多，人们对信息安全的关注度也越来越高。为了有效保证用户信息不被非法使用，通常在信息传输中的都采用了加密算法。针对图像加密而言，混沌加密属于目前研究的热点。按照加密变换方式不同，基于混沌的图像加密方法可分为像素位置变换和像素值变换两种，但是现有的混沌加密，大多采用低维混沌系统或映射，但是其存在的技术缺陷是：密钥空间小，混沌序列复杂度不高，到账密码系统安全性不高，难以抵抗攻击。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提出一种基于多涡卷混沌系统的图像加密方法，通过生成多段混沌序列，同时将其应用于像素位置变换和像素值变换过程中，从而提升算法复杂性，保证加密系统安全。为了实现上述目的，本专利技术所采用的具体技术方案如下：一种基于多涡卷混沌系统的图像加密方法，其关键在于按照以下步骤进行：S1：利用多涡卷混沌系统产生3个混沌序列，分别记为H1,H2,H3；S2：将图像用像素矩阵P表示，并根据图像大小确定行数M和列数N；S3：截取混沌序列H1中长为M的序列来构成行置乱随机向量X；S4：截取混沌序列H2中长为N的序列来构成列置乱随机向量Y；S5：将像素矩阵P中的第i行与第Xi行互换，第j列与第Yj列互换，从而得到置乱图像Pxy，其中Xi为随机向量X中第i个元素的值，Yj为随机向量Y中第j个元素的值；S6：从混沌序列H2中截取长为M×N的序列对置乱图像Pxy各个像素值进行正向替代，然后在从混沌序列H3中截取长为M×N的序列对其进行反向替代，最终得到加密后的图像。可选地，步骤S1中采用的多涡卷混沌系统为单方向Jerk10涡卷系统，其数学表达式为：式中变量A＝0.5，N＝4，β＝0.45。进一步地，步骤S3中按照：X＝mod{floor[(H1(1:M)+100)*10^10],M}+1来构成行置乱随机向量X；步骤S4中按照：Y＝mod{floor[(H2(1:N)+100)*10^10],N}+1来构成列置乱随机向量Y；式中H1(1:M)表示依次取混沌序列H1中长为M的序列，H2(1:N)表示依次取混沌序列H2中长为N的序列，floor()表示浮点运算函数，mod()表示求模运算函数，将直接运算所得的X中重复的数只保留一个，并用{1,2,…,M}中没有出现在X中的元素由小到大排列在随机向量X的末尾，得到最终的行置乱随机向量X，且该随机向量中的各个元素Xi∈{1,2,…,M}；同理，将直接运算所得的Y中重复的数只保留一个，并用{1,2,…,N}中没有出现在Y中的元素由小到大排列在Y的末尾，得到最终的列置乱随机向量Y，且该随机向量中的各个元素Yi∈{1,2,…,N}。进一步地，步骤S6中正向替代序列的生成方式为：Z1＝mod{floor[(H2(1:M*N)+100)*10^10],256}；步骤S6中反向替代序列的生成方式为：Z2＝mod{floor[(H3(1:M*N)+100)*10^10],256}；其中，H2(1:M*N)表示依次取混沌序列H2中长为M*N的序列，H3(1:M*N)表示依次取混沌序列H3中长为M*N的序列。进一步地，步骤S6中，将置乱图像Pxy展开为一维向量；正向替换时，i从1增加到M*N，正向替换后向量记为C且：反向替换时，i从M*N减少到1，反向替换后向量记为D且：其中C0与DM*N+1为常熟，在密钥中预先给出，为置乱图像Pxy展开为一维向量后的第i个元素，Ci为正向替换后向量C中的第i个元素，Di为反向替换后向量D中的第i个元素，Z1,i为正向替代序列Z1中的第i个元素，Z2,i为反向替代序列Z2中的第i个元素。本专利技术的显著效果是：本专利技术通过生成三段混沌序列，在图像像素位置变换过程中，分别用第一混沌序列和第二混沌序列进行行变换和列变换，在图像像素值替换过程中，又分别用第二混沌序列和第三混沌序列进行正向替代和反向替代，从而有效增加了加密算法的复杂度，保证了系统的安全性。附图说明图1为实现本方法的实验箱的电路原理框图；图2为实现本方法的实验箱的安装结构示意图；图3为图2所示实验箱的使用状态连接关系图。具体实施方式下面对专利技术的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。本专利技术公开一种基于多涡卷混沌系统的图像加密方法，主要按照以下步骤进行：S1：利用多涡卷混沌系统产生3个混沌序列，分别记为H1,H2,H3；具体实施时，采用的多涡卷混沌系统为单方向Jerk10涡卷系统，其数学表达式为：式中变量A＝0.5，N＝4，β＝0.45。S2：将图像用像素矩阵P表示，并根据图像大小确定行数M和列数N，每个像素值为0～255。S3：截取混沌序列H1中长为M的序列来构成行置乱随机向量X；S4：截取混沌序列H2中长为N的序列来构成列置乱随机向量Y；S5：将像素矩阵P中的第i行与第Xi行互换，第j列与第Yj列互换，从而得到置乱图像Pxy，其中Xi为随机向量X中第i个元素的值，Yj为随机向量Y中第j个元素的值；S6：从混沌序列H2中截取长为M×N的序列对置乱图像Pxy各个像素值进行正向替代，然后在从混沌序列H3中截取长为M×N的序列对其进行反向替代，最终得到加密后的图像。具体实施时，步骤S3中按照：X＝mod{floor[(H1(1:M)+100)*10^10],M}+1来构成行置乱随机向量X；步骤S4中按照：Y＝mod{floor[(H2(1:N)+100)*10^10],N}+1来构成列置乱随机向量Y；式中H1(1:M)表示依次取混沌序列H1中长为M的序列，H2(1:N)表示依次取混沌序列H2中长为N的序列，floor()表示浮点运算函数，mod()表示求模运算函数，将直接运算所得的X中重复的数只保留一个，并用{1,2,…,M}中没有出现在X中的元素由小到大排列在随机向量X的末尾，得到最终的行置乱随机向量X，且该随机向量中的各个元素Xi∈{1,2,…,M}；同理，将直接运算所得的Y中重复的数只保留一个，并用{1,2,…,N}中没有出现在Y中的元素由小到大排列在Y的末尾，得到最终的列置乱随机向量Y，且该随机向量中的各个元素Yi∈{1,2,…,N}。同时，步骤S6中正向替代序列的生成方式为：Z1＝mod{floor[(H2(1:M*N)+100)*10^10],256}；步骤S6中反向替代序列的生成方式为：Z2＝mod{floor[(H3(1:M*N)+100)*10^10],256}；其中，H2(1:M*N)表示依次取混沌序列H2中长为M*N的序列，H3(1:M*N)表示依次取混沌序列H3中长为M*N的序列。在进行像素替换时，先将置乱图像Pxy展开为一维向量；正向替换时，i从1增加到M*N，正向替换后向量记为C且：反向替换时，i从M*N减少到1，反向替换后向量记为D且：其中C0与DM*N+1为常熟，在密钥中预先给出，Pixy为置乱图像Pxy展开为一维向量后的第i个元素，Ci为正向替换后向量C中的第i个元素，Di为反向替换后向量D中的第i个元素，Z1,i为正向替代序列Z1中的第i个元素，Z2,i为反向替代序列Z2中的第i个元素。在具体操作过程中，混沌值可以采用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多涡卷混沌系统的图像加密方法，其特征在于按照以下步骤进行：S1：利用多涡卷混沌系统产生3个混沌序列，分别记为H1,H2,H3；S2：将图像用像素矩阵P表示，并根据图像大小确定行数M和列数N；S3：截取混沌序列H1中长为M的序列来构成行置乱随机向量X；S4：截取混沌序列H2中长为N的序列来构成列置乱随机向量Y；S5：将像素矩阵P中的第i行与第Xi行互换，第j列与第Yj列互换，从而得到置乱图像P

【技术特征摘要】
1.一种基于多涡卷混沌系统的图像加密方法，其特征在于按照以下步骤进行：S1：利用多涡卷混沌系统产生3个混沌序列，分别记为H1,H2,H3；S2：将图像用像素矩阵P表示，并根据图像大小确定行数M和列数N；S3：截取混沌序列H1中长为M的序列来构成行置乱随机向量X；S4：截取混沌序列H2中长为N的序列来构成列置乱随机向量Y；S5：将像素矩阵P中的第i行与第Xi行互换，第j列与第Yj列互换，从而得到置乱图像Pxy，其中Xi为随机向量X中第i个元素的值，Yj为随机向量Y中第j个元素的值；S6：从混沌序列H2中截取长为M×N的序列对置乱图像Pxy各个像素值进行正向替代，然后在从混沌序列H3中截取长为M×N的序列对其进行反向替代，最终得到加密后的图像。2.根据权利要求1所述的一种基于多涡卷混沌系统的图像加密方法，其特征在于：步骤S1中采用的多涡卷混沌系统为单方向Jerk10涡卷系统，其数学表达式为：式中变量A＝0.5，N＝4，β＝0.45。3.根据权利要求1或2所述的一种基于多涡卷混沌系统的图像加密方法，其特征在于：步骤S3中按照：X＝mod{floor[(H1(1:M)+100)*10^10],M}+1来构成行置乱随机向量X；步骤S4中按照：Y＝mod{floor[(H2(1:N)+100)*10^10],N}+1来构成列置乱随机向量Y；式中H1(1:M)表示依次取混沌序列H1中长为M的序列，H2(1:N)表示依次取混沌序列H2中长为N的序列，floor()表示浮点运算函数，mod()表示求模运算函数，将直接运算所得的X中重复的数只保留一个，并用...

【专利技术属性】
技术研发人员：王丽丹，白玉，李攀峰，吴佳，
申请(专利权)人：西南大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50