基于logistic的大密钥空间比特置乱混沌图像加密方法技术

本发明专利技术公开一种基于logistic的大密钥空间比特置乱混沌图像加密方法，对现有logistic混沌映射公式进行改进，解决了控制参数范围受到限制的问题，增加密钥空间，从而有效的抵抗穷举攻击，还可以保留更多的原信息，并且因为利用了混沌系统对初值极端敏感，以及非线性，伪随机性等性质，使得此种加密方式有效的提高图像抵抗攻击的能力；使得经过将本发明专利技术logistic混沌系统加密后的图像，在安全性等方面有长足的进步，推动了混沌系统对图像加密方面的研究进程。面的研究进程。面的研究进程。

【技术实现步骤摘要】
基于logistic的大密钥空间比特置乱混沌图像加密方法


[0001]本专利技术涉及图像加密技术，具体涉及一种基于logistic的大密钥空间比特置乱混沌图像加密方法。

技术介绍

[0002]在大数据时代，最有价值的就是信息，信息的便捷与强大功能有目共睹。密码学是信息安全研究领域的核心学科，主要是研究信息安全，解决传输存储等过程中的信息安全问题。图像是承载信息的一个重要载体，某些图像隐含的信息至关重要。因此必须保证数字图像的传输、存储、访问等过程安全可靠；图像加密是最有效的保护图像安全的途径之一。保障多媒体数据隐私和保密性的图像加密技术在许多应用中发挥着重要的作用，如军事图像数据库、付费电视、保密视频会议、健康管理系统、在线私人相册等等。
[0003]而当前图像加密热门方法为利用混沌系统加密，现有的混沌系统加密的方法有以下两类：一类是重点关注加密系统中的随机序列的生成方式；另一类是关注加密算法的结构设计。现有的许多混沌系统都具有控制参数范围受限，生成点分布不均匀，周期性较短的缺点。
[0004]现有的logistic混沌系统的参数范围在0
‑
4之间，导致形成的密钥空间较小，容易受到穷举攻击，并且混沌映射对所有的参数所生成的序列均不能遍历整个状态空间，不具备分布均匀性。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：本专利技术的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种基于logistic的大密钥空间比特置乱混沌图像加密方法。
[0006]技术方案：本专利技术的一种基于logistic的大密钥空间比特置乱混沌图像加密方法，对一维logistic混沌系统进行改进生成新的混沌系统，然后图像进行加密，具体步骤如下：
[0007]步骤(1)、改进logistic混沌映射公式，即混沌映射公式(1)修改为式(2)；
[0008]X
n+1
＝u
×
X
n
×
(1
‑
X
n
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0009]X
n+1
＝RS(u
×
X
n
×
(1
‑
X
n
))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0010]式(2)中u为控制参数且u≠0，函数RS(x)是一个右移函数，首先RS(x)函数会获取参数x的整数部分的位数n，然后对参数x进行运算x
×
10
‑
n
，返回运算结果，使得0≤RS(u
×
X
n
×
(1
‑
X
n
))<1即0≤X
n+1
<1从而使控制参数u不再限制于0到4之间，并且使得控制产生的序列处于混沌状态，这样就可以扩大系统的混沌区域，可选择的密钥数量也得到了增加；通过式(2)生成的序列处于混沌状态(且序列分布均匀参数不受限)；
[0011]步骤(2)、确定加密密钥
[0012]设定7个密钥：X1、r1、X2、r2、N、Z、S；其中前四个密钥(X1、r1、X2、r2)为两对改进后Logistic混沌系统的控制参数和初始值(X1、r1)(X2、r2)，N为序列值转化为二进制形式时小
数点后所取的位数，Z为明文相关量由加密公式(3)得出；
[0013][0014]f(x,y)表示输入的明文图像，大小为M
×
L；Z是经过式(3)计算后得到的明文相关量，S为每次取得X
n
数据时其序列变异的位数(也即是步骤(2.2)每次所反转的位数)；
[0015]步骤(3)、对生成的序列进行一步随机选取反转，使得生成的序列具有更好的混沌特性；具体步骤如下：
[0016]步骤1：首先设置控制参数u和循环变量i，设初始值i＝0；设置X
i
序列初始值X0(0<X0<1)；然后将X
i
代入到式(2)中得到X
i+1
，接着将X
i+1
移位，使得X
i+1
<1，再将X
i+1
转换为二进制形式(X
i+1
)
B
；
[0017]选取一个正整数N，(例如N可以取值为9)对(X
i
)
B
的前N位随机选取位进行取反操作，操作是下取整，，取反操作即将二进制0变为1，1变为0；假设X
i
＝0.625，则将0.625
→
0.101000000,假设选取到的位数为2，4，6，则0.101000000
→
0.111101000。
[0018]步骤3：将变换完的(X
i+1
)
B
再次转换为十进制，0.111101000
→
0.953125，然后将得到的十进制小数代入迭代式(2)中进行下一次迭代，得到下一次值；
[0019]重复步骤1
‑
3，且每轮反转的位数不同，直到i＝M
×
L，迭代结束后，得到一个长度为n的混沌序列{X1,
…
,X
n
}，n＝M
×
L；将记载反转位数的S作为密钥用于图像的还原；读取加密图像的大小后，创建N个同样大小的空白图像，每个图像的每个像素代表生成的混沌序列转化为矩阵后的相应像素的1到N位，如果第x位发生反转则第x个图像相应像素值为1，否则为0，最后将N个图像拼接起来作为密钥S；
[0020]步骤(4)、应用改进后的logistic混沌系统对图像进行加密；
[0021]先使用密钥X1、r1、N和Z利用改进后的Logistics加密算法迭代Z次渡过过渡态，然后再迭代M
×
L次，生成长度为M
×
L的混沌序列K1；明文图像f大小为M
×
L；将混沌序列K1转化为与明文图像相同大小的初步加密矩阵F1作为加密矩阵；将初步加密矩阵F1与明文图像f行比特异或操作进行初次加密，得到新的图像接着进行分块操作将f分成大小均等的四个部分，每个块大小为M/2
×
L/2，再将每块分别进行置乱
‑
扩散操作；将置乱
‑
扩散后的图像重新拼接为一块，逆时针旋转90
°
后，再重复上述置乱
‑
扩散操作得到最终加密图像fH。
[0022]为降低明文图像与密文图像的相关性，扩散像素点，使得任一像素点的信息隐藏在尽可能多的密文像素点中，进一步对分块后的图像进行置乱
‑
扩散操作，具体方法为：
[0023]步骤I、产生两个待置换的位置本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于logistic的大密钥空间比特置乱混沌图像加密方法，其特征在于：对一维logistic混沌系统进行改进生成新的混沌系统，然后图像进行加密，具体步骤如下：步骤(1)、改进logistic混沌映射公式，即混沌映射公式(1)修改为式(2)；X
n+1
＝u
×
X
n
×
(1
‑
X
n
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)X
n+1
＝RS(u
×
X
n
×
(1
‑
X
n
))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)式(2)中，u为控制参数且u≠0；式(2)通过右移函数RS(x)对式(1)中u
×
X
n
×
(1
‑
X
n
)进行移位，将整数位全部移到小数点后，使得0≤X
n+1
≤1，使得通过式(2)生成的序列处于混沌状态；步骤(2)、确定加密密钥设定7个密钥：X1、r1、X2、r2、N、Z、S；其中前四个密钥为两对改进后Logistic混沌系统的控制参数和初始值(X1、r1)(X2、r2)，N为序列值转化为二进制形式时小数点后所取的位数；f(x,y)表示输入的明文图像，大小为M
×
L；Z是经过式(3)计算后得到的明文相关量，S为记录获得X
n
数据时其序列变异的位数；步骤(3)、对生成的序列进行一步随机选取反转，具体步骤如下：步骤(3.1)、设置控制参数u，u≠0和循环变量i，设初始值i＝0；设置X
i
序列初始值X0(0<X0<1)；步骤(3.2)、将X
i
代入到式(2)中得到X
i+1
，接着将X
i+1
移位，使得X
i+1
<1，再将X
i+1
转换为二进制形式(X
i+1
)
B
；步骤(3.3)、选取一个正整数N，对(X
i
)
B
的前N位随机选取位进行取反操作，操作是下取整，取反操作即将二进制0变为1，1变为0；步骤(3.4)、将变换完的(X
i+1
)
B
再次转换为十进制，然后将得到的十进制小数X
i+1
准备进行下一次迭代；重复步骤(3.1)至步骤(3.4)且每轮反转的位数不同，直到i＝M
×
L迭代结束后，得到一...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕皖丽，王宁，崔永浩，张鹏佳，张明凯，赫子尧，涂铮铮，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：