基于新设计的一维正弦混沌映射和离散U变换嵌入方式的视觉安全图像加密方法技术

本发明专利技术属于图像加密技术领域，公开一种基于新设计的一维正弦混沌映射和离散U变换嵌入方式的视觉安全图像加密方法，包括：利用明文信息和SHA

【技术实现步骤摘要】
embedding,Signal Process.175(2020)107629.)结合块压缩感知和奇异值分解提出一种鲁棒有意义图像加密方案。此外，现有的视觉安全图像加密方案在嵌入过程无法自由调节明文信息的嵌入量，并且在解密图像质量和视觉安全性方面还有很大的提升空间。

技术实现思路

[0004]针对现有的视觉安全图像加密方案在嵌入过程无法自由调节明文信息的嵌入量，并且在解密图像质量和视觉安全性方面还有很大的提升空间的问题，为了实现对明文图像内容和视觉上的双重保护，本专利技术提出一种基于新设计的一维正弦混沌映射和离散U变换嵌入方式的视觉安全图像加密方法。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]本专利技术基于新设计的一维正弦混沌映射(one
‑
dimensional sinusoidal chaotic map,1
‑
DSC map)和离散U变换嵌入方式技术提出一种视觉安全图像加密方法。其中，新设计的1
‑
DSC映射相较于其他一维映射具有更加优越的混沌性能。P张量积压缩感知(P
‑
tensor product compressive sensing,PTP
‑
CS))相较于传统的压缩感知技术能够更加灵活的生成测量矩阵。新设计的双重锯齿形置乱相较于传统的锯齿形置乱有更高的效率。本专利技术还设计了一种新的基于离散U变换的嵌入方式，这种嵌入方式不但能自由调节明文信息的嵌入量，而且嵌入明文信息的图像与载体图像高度相似，这充分体现出该嵌入方法的优越性。通过本专利技术提出的图像加密方法，明文图像先被压缩加密为类噪声的秘密图像，然后再通过新设计的嵌入方式将秘密图像嵌入载体图像形成加密图像，加密图像具有视觉意义且与载体图像高度相似。相较于传统的图像加密方法，本专利技术设计的视觉安全图像加密方法能更好的保护明文图像的信息，也能减少加密图像在传输过程中被黑客攻击的概率，并且解密图像具有良好质量的同时加密图像也具有良好的视觉安全性。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]一种基于新设计的一维正弦混沌映射和离散U变换嵌入方式的视觉安全图像加密方法，包括：
[0009]步骤1：利用明文相关的密钥控制一维正弦混沌系统1
‑
DSC映射生成测量矩阵，利用该测量矩阵压缩明文图像的稀疏系数矩阵，得到测量值矩阵；
[0010]步骤2：对步骤1得到的测量值矩阵进行量化，对量化后的数据进行双重锯齿形置乱，最后再经扩散操作生成秘密图像；
[0011]步骤3：在1
‑
DSC映射的控制下，采用基于离散U变换的嵌入方式将秘密图像嵌入载体图像中，得到加密图像。
[0012]进一步地，所述一维正弦混沌系统1
‑
DSC对应的映射公式为：
[0013][0014]其中z
n
表示1
‑
DSC映射的状态变量，μ是其控制参数，当μ∈(
‑
1，1)时，该混沌系统处于混沌状态。
[0015]进一步地，在所述步骤1之前，还包括：利用明文信息和SHA
‑
512哈希函数生成多组密钥：
[0016]首先，计算大小为M
×
N的明文图像P1的哈希值，并将其表示为wp；
[0017]生成一组1
×
64的向量k，将wp转换为64个十进制数，每组8位，然后依次将上述64个十进制数存入向量k；
[0018]将向量k分成4组，然后将每组中的数转换为二进制，并对每组内的16个二进制数依次进行异或运算，将最后得到的二进制数转换为十进制数，从而获得四个初始值hp1,hp2,hp3和hp4；
[0019]最后，基于hp1,hp2,hp3和hp4根据公式(6)生成密钥key1,key2,key3,key4和key5：
[0020][0021]进一步地，所述步骤1包括：
[0022]步骤11：选择合适的离散小波基构造出稀疏变换矩阵对大小为M
×
N的明文图像P1进行稀疏化得到稀疏矩阵P2：
[0023]P2＝Psi
×
P1
×
Psi'
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0024]其中Psi'表示矩阵Psi的转置矩阵；
[0025]步骤12：设定一个阈值Ts，并将矩阵P2中绝对值小于等于该阈值的所有元素全部赋值为0，矩阵P2经过阈值处理后生成矩阵P3；
[0026]步骤13：将key2和key3作为混沌系统的初始值，迭代1
‑
DSC映射M
×
N
×
2+1000次生成长度为M
×
N
×
2+1000的混沌序列，忽略混沌序列的前1000
[0027]个值以消除混沌序列的暂态效应，最后生成长度为M
×
N
×
2的混沌序列hd，对混沌序列hd进行索引排序后得到索引序列Tsp；
[0028]步骤14：利用索引序列Tsp对矩阵P3进行Arnold置乱，生成大小为M
×
N
[0029]的矩阵P4；
[0030]步骤15：将key2和key5作为混沌系统的初始值，迭代1
‑
DSC映射(M/8)
×
(N/2)+1000次生成长度为(M/8)
×
(N/2)+1000的混沌序列，忽略混沌序列的前1000个值以消除混沌序列的暂态效应，最后生成长度为(M/8)
×
(N/2)的混沌序列G；先将混沌序列G转换为大小为(M/8)
×
(N/2)的矩阵Q，然后随机生成大小为2
×
2的可逆矩阵ENI，将可逆矩阵ENI和矩阵Q经过克罗内克乘积运算生成尺寸为(M/4)
×
N的矩阵Phi；最后，使用测量矩阵Phi测量矩阵P4生成尺寸为(M/4)
×
N的矩阵P5；测量公式如下所示：
[0031][0032]P5＝Phi
×
P4
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0033]其中表示克罗内克乘积运算符。
[0034]进一步地，所述步骤2包括：
[0035]步骤21：按照公式(10)对矩阵P5进行量化，生成大小为(M/2)
×
(N/2)的矩阵P6：
[0036][0037]其中，min和max分别表示矩阵P5中最小的元素值和最大的元素值；
[0038]步骤22：将key1和key4作为混沌系统的初始值，迭代1
‑
DSC映射M
×
N
×
2+1000次生成长度为M
×
N
×
2+1000的混沌序列，忽略混沌序列的前1000
[0039]个值以消除本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于新设计的一维正弦混沌映射和离散U变换嵌入方式的视觉安全图像加密方法，其特征在于，包括：步骤1：利用明文相关的密钥控制一维正弦混沌系统1
‑
DSC映射生成测量矩阵，利用该测量矩阵压缩明文图像的稀疏系数矩阵，得到测量值矩阵；步骤2：对步骤1得到的测量值矩阵进行量化，对量化后的数据进行双重锯齿形置乱，最后再经扩散操作生成秘密图像；步骤3：在1
‑
DSC映射的控制下，采用基于离散U变换的嵌入方式将秘密图像嵌入载体图像中，得到加密图像。2.根据权利要求1所述的基于新设计的一维正弦混沌映射和离散U变换嵌入方式的视觉安全图像加密方法，其特征在于，所述一维正弦混沌系统1
‑
DSC对应的映射公式为：其中z
n
表示1
‑
DSC映射的状态变量，μ是其控制参数，当μ∈(
‑
1，1)时，该混沌系统处于混沌状态。3.根据权利要求2所述的基于新设计的一维正弦混沌映射和离散U变换嵌入方式的视觉安全图像加密方法，其特征在于，在所述步骤1之前，还包括：利用明文信息和SHA
‑
512哈希函数生成多组密钥：首先，计算大小为M
×
N的明文图像P1的哈希值，并将其表示为wp；生成一组1
×
64的向量k，将wp转换为64个十进制数，每组8位，然后依次将上述64个十进制数存入向量k；将向量k分成4组，然后将每组中的数转换为二进制，并对每组内的16个二进制数依次进行异或运算，将最后得到的二进制数转换为十进制数，从而获得四个初始值hp1,hp2,hp3和hp4；最后，基于hp1,hp2,hp3和hp4根据公式(6)生成密钥key1,key2,key3,key4和key5：4.根据权利要求3所述的基于新设计的一维正弦混沌映射和离散U变换嵌入方式的视觉安全图像加密方法，其特征在于，所述步骤1包括：步骤11：选择合适的离散小波基构造出稀疏变换矩阵对大小为M
×
N的明文图像P1进行稀疏化得到稀疏矩阵P2：P2＝Psi
×
P1
×
Psi'
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)其中Psi'表示矩阵Psi的转置矩阵；步骤12：设定一个阈值Ts，并将矩阵P2中绝对值小于等于该阈值的所有元素全部赋值为0，矩阵P2经过阈值处理后生成矩阵P3；
步骤13：将key2和key3作为混沌系统的初始值，迭代1
‑
DSC映射M
×
N
×
2+1000次生成长度为M
×
N
×
2+1000的混沌序列，忽略混沌序列的前1000个值以消除混沌序列的暂态效应，最后生成长度为M
×
N
×
2的混沌序列hd，对混沌序列hd进行索引排序后得到索引序列Tsp；步骤14：利用索引序列Tsp对矩阵P3进行Arnold置乱，生成大小为M
×
N的矩阵P4；步骤15：将key2和key5作为混沌系统的初始值，迭代1
‑
DSC映射(M/8)
×
(N/2)+1000次生成长度为(M/8)
×
(N/2)+1000的混沌序列，忽略混沌序列的前1000个值以消除混沌序列的暂态效应，最后生成长度为(M/8)
×
(N/2)的混沌序列G；先将混沌序列G转换为大小为(M/8)
×
(N/2)的矩阵Q，然后随机生成大小为2
×
2的可逆矩阵ENI，将可逆矩阵ENI和矩阵Q经过克罗内克乘积运算生成尺寸为(M/4)
×
N的矩阵Phi；最后，使用测量矩阵Phi测量矩阵P4生成尺寸为(M/4)
×
N的矩阵P5；测量公式如下所示：P5＝Phi
×
P4
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)其中表示克罗内克乘积运算符。5.根据权利要求4所述的基于新设计的一维正弦混沌映射和离散U变换嵌入方式的视觉安全图像加密方法，其特征在于，所述步骤2包括：步骤21：按照公式(10)对矩阵P5进行量化，生成大小为(M/2)
×
(N/2)的矩阵P6：其中，min和max分别表示矩阵P5中最小的元素值和最大的元素值；步骤22：将key1和key4作为混沌系统的初始值，迭代1
‑
DSC映射M
×
N
×
2+1000次生成长度为M
×
N

【专利技术属性】
技术研发人员：甘志华，熊宝柱，杨扬，张圆圆，朱长江，柴秀丽，
申请(专利权)人：河南大学，
类型：发明
国别省市：