一种图像空域加密和解密的方法技术

本发明专利技术涉及一种图像空域加密和解密的方法，图像加密方法包括以下步骤：（1）建立Logistic混沌序列Z={z0,z1,

【技术实现步骤摘要】
一种图像空域加密和解密的方法


[0001]本专利技术涉及一种改进的基于Logistic混沌映射的加密方法，用于图像空域加密，具体涉及一种基于改进的Logistic混沌映射与Warnsdorff规则置乱二次预测反馈的图像空域加密方法。

技术介绍

[0002]数字图像是一种被广泛采用的数据格式，因具有快捷方便、信息量大等特点，其在各个领域都具有广泛的应用。随着数字图像的广泛应用，尤其是在网络环境下的图像数据的传输，使得数字图像的安全保护变得越来越重要。对图像进行安全保护最直接的方法就是对图像数据进行加密。
[0003]互联网技术的发展为我们提供了跨区域进行数据传输的通道，尤其是近年来4G/5G技术的发展使得图像、视频数据在网络上自由传输成为可能。由于图像或视频数据在网络中、尤其是在无线网络中进行传输时，很容易被非法截取，所以人们对图像、视频等多媒体数据传输的安全性提出了很高的要求。保证数据安全传输的最直接方法就是对数据进行加密，所以有关图像、视频等媒体的加密算法应运而生，并且近年来得到迅速发展。
[0004]混沌系统具有初始条件敏感性、遍历性和混合性等优点，符合密码学要求，所以近年来，基于混沌理论的数字图像空域加密方案取得了飞速发展。基于骑士巡游置乱的图像加密算法因密钥空间大，能够抵抗穷尽攻击，密钥敏感性强等特点在近年得到了学术界的广泛关注与研究。
[0005]一、Logistic混沌映射混沌源于非线性动力系统，是一个任意随时间变化的过程，这个过程是确定性的、类似随机的、非周期的，并且对于初始值有极敏感的依赖性。这些特性正符合序列密码的要求，所以混沌常常用于数据的加密过程中。Logistic映射是研究动力系统、混沌、分形等复杂系统行为的一个经典模型，其由于原理简单、计算方便而被广泛应用于加密领域。一维Logistic映射数学表达式描述为：在上式中μ∈(0,4]被称为Logistic参数，当X∈(0,1)时，Logistic映射处于混沌状态，也就是说，初始条件X0∈(0,1)在Logistic映射迭代作用下产生的序列是非周期的、不收敛的。并且当X0或参数μ发生微小变化时，在Logistic映射迭代作用下产生的序列迥异。
[0006]二、基于Logistic混沌映射的数据加密设定初始参数μ和X0，计算Logistic映射迭代得到混沌集X={x0, x1, x2,
ꢀ…
, xn
‑
1}，其中x
i
∈（0,1）。对X进行运算：，得到集合H={ h0, h1, h2,
ꢀ…
, hn
‑
1}。针对数据流D={d0, d1, d2,
ꢀ…
, dn
‑
1}，进行与H的异或运算，得到数据流D的密文E ={e0, e1, e2,
ꢀ…
, en
‑
1}。对密文E再与H做异或运算，得到数据流原文D。在此
我们称初始参数μ和X0为密钥，基于Logistic映射迭代产生的混沌序列，实现了对数据流的对称加密。
[0007]但是，经典Logistic 映射存在系统参数范围受限、混沌序列分布不均等问题。
[0008]三、骑士巡游问题与Warnsdorff规则骑士巡游问题是图论的一个经典问题。国际象棋的棋盘为m
×
n的方格棋盘，现将骑士（马）放在任意指定的方格中，按照骑士走棋的规则（同中国象棋，马走日字）进行移动，要求每个方格只能进入一次，最终使得骑士能够走遍棋盘的每个方格，这就是骑士巡游问题。对于m
×
n的方格棋盘，当骑士走遍棋盘的每个方格时，其巡游路径是无序的，我们可以根据骑士的巡游顺序将待加密图像的像素或空间子块进行重新排序，从而达到对图像信息进行隐藏的目的，达到加密的效果，我们通常称之为图像的置乱。目前，基于骑士巡游置乱的图像加密算法因密钥空间大，能够抵抗穷尽攻击，密钥敏感性强等特点在近年得到了学术界的广泛关注与研究。
[0009]一般情况下，由于骑士在棋盘中的起始位置任意，在移动规则限制的条件下，若按照规则随意移动，很难能够走遍棋盘的每个方格。最经典的解决跳马问题的算法是德国数学家H.C. Warnsdorff在1823 年专利技术的算法，称作Warnsdorff规则。Warnsdorff规则的主要思想是从开始位置起进行移动时，不能冒然将骑士移动到某一候选位置，而是要对所有的候选位置进行预测和判断，找出最优的候选位置进行移动。Warnsdorff规则认为最优的候选位置是以所有的候选位置为起始点，进行下一步移动，下一步移动的候选位置最少的点，即为最优的候选位置点。这种方法我们称之为预测反馈，如图1所示。
[0010]图1所示的是骑士巡游的第 10 步的情况：从骑士当前位置（马字所在位置）移动，可能有三个位置可移动，即
②
、
⑤
、
⑥
所在的方格。在方格中显示的数字为本方格作为起始位置时，下一步可移动的候选位置的个数。此时，我们选择下一步可移动的候选位置的个数最少的作为最优候选位置。显然，第十步应该跳到
②
所在的位置。Warnsdorff算法并不是对所有情况都有效，当棋盘大于76
×
76 时，这种算法就无效了。

技术实现思路

[0011]为解决经典Logistic 映射在系统参数范围受限、混沌序列分布不均的问题，本专利技术提供一种基于改进的Logistic混沌映射与Warnsdorff规则置乱二次预测反馈的图像空域加密方法。
[0012]本专利技术的技术方案：一种图像空域加密和解密的方法，图像加密方法包括以下步骤：（1）建立Logistic混沌序列 Z = {z0, z1,
ꢀ…
, z
n
‑1}；（2）利用Warnsdorff规则的二次预测反馈算法对16
×
16棋盘进行遍历，以棋盘位置为起始点，得到遍历路径并转换为一维数组；（3）对图像数据加密；（4）图像数据密文置乱。
[0013]优选的，图像解密方法包括以下步骤：（1）建立Logistic混沌序列 Z = {z0, z1,
ꢀ…
, z
n
‑1}；（2）利用Warnsdorff规则的二次预测反馈算法对16
×
16棋盘进行遍历，以棋盘位
置为起始点，得到遍历路径并转换为一维数组；（3）图像数据反置乱；（4）图像数据解密。
[0014]优选的，图像加密方法步骤中，建立Logistic混沌序列 Z = {z0, z1,
ꢀ…
, z
n
‑1}步骤之前还包括以下步骤：将图像像素按照行序列转换为一维数组形式，每个像素R、G、B分量作为一维数组的一个元素；设有某图像 D=m
×
l，m为高，l为图像的宽，按照以上原则，图像D就可以表示为{R0， G0， B0， R1， G1， B1，
……
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种图像空域加密和解密的方法，其特征在于，图像加密方法包括以下步骤：（1）建立Logistic混沌序列 Z = {z0, z1,
ꢀ…
, z
n
‑1}；（2）利用Warnsdorff规则的二次预测反馈算法对16
×
16棋盘进行遍历，以棋盘位置为起始点，得到遍历路径并转换为一维数组；（3）对图像数据加密；（4）图像数据密文置乱。2.根据权利要求1所述的一种图像空域加密和解密的方法，其特征在于，图像解密方法包括以下步骤：（1）建立Logistic混沌序列 Z = {z0, z1,
ꢀ…
, z
n
‑1}；（2）利用Warnsdorff规则的二次预测反馈算法对16
×
16棋盘进行遍历，以棋盘位置为起始点，得到遍历路径并转换为一维数组；（3）图像数据反置乱；（4）图像数据解密。3.根据权利要求1所述的一种图像空域加密和解密的方法，其特征在于，图像加密方法步骤中，建立Logistic混沌序列 Z = {z0, z1,
ꢀ…
, z
n
‑1}步骤之前还包括以下步骤：将图像像素按照行序列转换为一维数组形式，每个像素R、G、B分量作为一维数组的一个元素；设有某图像 D=m
×
l，m为高，l为图像的宽，按照以上原则，图像D就可以表示为{R0， G0， B0， R1， G1， B1，
……
, R m
×
l
‑1， G m
×
l
‑1， B m
×
l
‑1}，为了计算方便，在此设D={d0, d1,
ꢀ…
, d
k
‑1},其中k为图像像素数的3倍，k= m
×
l
×
3。4.根据权利要求1或2所述的一种图像空域加密和解密的方法，其特征在于，Logistic混沌序列 Z包括以下步骤：（a）、设定参数x0，μ，delay，cycle，multipower，bitswap；（b）、根据 x
n
=x
n
‑1*μ*(1
‑
x
n
‑1)，进行混沌序列迭代计算；（c）、经过delay次迭代后，取稳定的混沌序列，序列长度为cycle，得到混沌序列X={x0, x1,
ꢀ…
, x
n
‑1}， n=cycle；（d）、对于获取的混沌序列X，计算 （X* multipower）%256，得到字节混沌序列H={h0, h1,
ꢀ…
, h
n
‑1}；（e）、对H序列逐元素h
i
进行移位操作，根据元素序号i%3的值，进行1827、1234或1526位交换操作；若i%3==0，则对hi进行1827位交换操作；若i%3==1，则对hi进行1234位交换操作；若i%3==2，则对hi进行1526位交换操作；（f）根据bitswap对H序列逐元素h
i
再次进行移位操作，若bitswap==0，则对h
i
进行1827位交换操作；若bitswap==1，则对h
i
进行1234位交换操作；若bitswap==2，则对h
i
进行1526位交换操作。5.根据权利要求1或2所述的一种图像空域加密和解密的方法，其特征在于，步骤（2）对16
×
16棋盘进行遍历，以棋盘位置（0， 0），（7，7），（15，15）为起始点，得到遍历路径并转换为一维数组，记为W00[256]、W77[256]、W1515[256]；Warnsdorff规则的二次预测反馈算法：采用二次预测反馈算法，即经过一次预测获得的下一步移动候选位置点数相同时，启动二次预测，预测的方法与一次预测相同：以多个最少候选位置点为起始点，进行再次移动
预测，将二次移动预测的候选位置点数相加，得到二次预测候选位置点之和；选择二次预测候选位置点之和最小的一次预测最少候选位置点作为移动点。6.根据权利要求4所述的一种图像空域加密和解密的方法，其特征在于，图像数据行加密步骤包括：对于待加密的图像数据序列D={d0, d1,
ꢀ…
, d
k
‑1}，按照数据序列和混沌序列的序号进行对应元素异或（）操作，实现对图像数据的加密，得到数据序列的密文E={e0, e1,
ꢀ…
, e
k
‑1}，即DZ=E,即e
i =d
i
z

【专利技术属性】
技术研发人员：滑斌杰，刘智国，孟军英，
申请(专利权)人：石家庄学院，
类型：发明
国别省市：