【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及数字图像加密的，尤其涉及一种基于4d混沌系统的图像加密方法。
技术介绍
1、随着互联网、大数据、人工智能和5g通信的快速发展，大量的信息被数字化并通过网络传输。特别是数字图像方面，其使用和传输已经成为我们日常生活中不可或缺的一部分。然而，尽管数字图像的广泛应用带来了巨大的便利，但是也面临着未经授权的访问、篡改和盗用的风险。为了保护个人隐私、确保图像的完整性以及保护知识产权，数字图像加密技术应运而生。数字图像加密旨在将图像信息转化为一系列无法理解的数据，使得只有授权用户才能正确解读和还原图像。随着技术的不断进步和创新，对数字图像加密的要求逐渐增加，为了确保图像加密的安全性，迫切需要更完善的图像加密算法来满足用户的需求。
2、近年来，非线性数字混沌系统在数据加密领域越来越受到关注。数字混沌系统具备许多与加密学相关的理想特性，因此在图像加密系统中得到广泛应用。混沌系统在图像加密中具有以下特点：高度不可预测性、极大的密钥空间、快速的加解密过程、强大的抗攻击性以及可逆性。然而，混沌系统并不是绝对安全的，仍然可能受到特定攻击算法的威胁。因此，在设计和应用混沌系统进行图像加密时，仍需融合其他加密技术以增强安全性。比如，一维混沌系统具有结构简单、计算量小等优点，因而受到密码学家的青睐。然而，由于一维混沌映射的简单运动特性，它的密钥空间相对较小、容错性有限、且缺乏统一理论和分析支持，相比之下，高维混沌系统具有复杂的混沌行为和不可预测的轨迹，为提升图像加密的安全性提供了更多的潜在资源。在1963年，lorenz引入了混沌理
3、在图像加密方案中，最重要的环节就是置乱和扩散。置乱是改变像素点的位置，从而降低相邻像素之间的相关性。扩散是对像素点的灰度值进行改变，使得任一像素值的改变都会影响尽可能多的其他像素的灰度值。研究者已经提出了许多图像加密方案，其中大多数加密方案都是按照先置乱，再扩散的顺序处理，尽管这些加密方案具有良好的安全性，但也存在一些问题。例如在文献[xu x，feng j(2010)research and implementation ofimage encryption algorithm based on zigzag transformation and inner productpolarization vector.ieee int conf granular comp：556-561]中，xu仅仅采用了之字形扫描的方式进行置乱，相邻像素之间的相关性并没有被完全打破，极容易受到暴力攻击。此外，单次的置乱和扩散操作过于简单，可能导致加密方案安全性较低，而多次重复的置乱、扩散操作会显著降低加密效率。为了解决这些问题，研究者们将置乱、扩散组合起来，提出了置乱和扩散同步进行的位级置乱方法。位级置乱方法就是把像素值转换为八位二进制，然后对二进制进行打乱，达到同步置乱、扩散像素的目的。wen提出了一种在比特级采用不同扫描方式置乱的方法，以改变像素位置和值。zhou提出一种新型位级图像加密方案，将八位二进制每一位单独分为一个平面，并对每一个平面进行不同的索引置乱，通过分析，这种方法有很好的置乱和扩散效果。shahna采用比特级循环位移的方法进行置乱，安全和性能分析表明：该算法具有很高的安全性和鲁棒性。
4、置乱算法打破了像素之间的强相关性，为了更好的隐藏图像的关键信息，还需要对图像做进一步的扩散处理。现已提出的扩散算法常用的有异或、加取模、加法、减法、乘法等，sun提出了双向乘法加法结合运算，通过正向和逆向两次扩散，实现全局扩散的效果。wang提出了基于三种模型的图像扩散，其主要是根据混沌序列选择不同的模型进行扩散，虽然达到了对像素扩散的目的，但由于其选择模型比较复杂，加密时间较长。
技术实现思路
1、针对现有的图像加密方法的安全性低，加密效率低的技术问题，本专利技术提出一种基于4d混沌系统的图像加密方法，利用混沌矩阵中元素的奇偶性以及明文图像行列的奇偶性来进行置乱，可以充分的打破相邻像素的相关性；十六进制位平面置乱不仅能够彻底改变像素的位置，也能充分修改像素的值，可以达到同步置乱的效果，根据混沌序列随机选择组合运算扩散的方式来修改像素值，可以进一步增强图像加密的安全性。
2、为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种基于4d混沌系统的图像加密方法，其步骤如下：
3、步骤一：采用sha-512算法计算大小为m×n的明文图像p的哈希值h，通过外部密钥和哈希值h计算得到4d混沌系统的初始值x0、y0、z0、w0；
4、步骤二：把初始值x0、y0、z0、w0代入4d混沌系统迭代m×n次，得到四个混沌序列x′、y′、z′、w′，四个混沌序列x′、y′、z′、w′进行数据处理获得三个混沌序列u、v、t；
5、步骤三：对混沌序列u进行处理得到两个索引序列t1和t2，根据两个索引序列t1和t2对明文图像p进行奇偶置乱得到图像矩阵p1；
6、步骤四：十六进制位平面置乱：将图像矩阵p1转换为十六进制得到字符矩阵p2，将字符矩阵p2中只有一个字符的高位补零，然后按高位、低位划分为两个平面p3和p4；对混沌序列u进行一系列处理得到位置索引坐标矩阵s1和位置索引坐标矩阵s2，将平面p3和平面p4分别根据位置索引坐标矩阵s1和位置索引坐标矩阵s2进行索引置乱，分别得到矩阵p5和矩阵p6；将矩阵p5和矩阵p6中的字符分别作为十六进制的高位和低位恢复为一个十六进制的字符矩阵p7，将字符矩阵p7转换为十进制得到图像矩阵p8；
7、步骤五：将图像矩阵p8转换为一维数组，按照混沌序列t的元素值选取不同的组合运算公式利用混沌序列v进行扩散运算后转化为矩阵，得到密文图像c。
8、优选地，所述4d混沌系统的表达式为：
9、
10、其中，a、b、c、d为系统参数，x、y、z、w均为状态变量，分别为状态变量x、y、z、w的导数。
11、优选地，所述通过外部密钥和哈希值h计算得到4d混沌系统的初始化参数x0、y0、z0、w0的方法为：将明文图像p输入sha-512算法中输出512位二进制的哈希值h；将哈希值h等分为64组、每组8位的二进制序列k1，k2，k3，…，k64；将64组二进制序列k1，k2，k3，…，k64进行异或运算得到中间变本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于4D混沌系统的图像加密方法，其特征在于，其步骤如下：
2.根据权利要求1所述的基于4D混沌系统的图像加密方法，其特征在于，所述4D混沌系统的表达式为：
3.根据权利要求1或2所述的基于4D混沌系统的图像加密方法，其特征在于，所述通过外部密钥和哈希值H计算得到4D混沌系统的初始化参数x0、y0、z0、w0的方法为：将明文图像P输入SHA-512算法中输出512位二进制的哈希值H；将哈希值H等分为64组、每组8位的二进制序列k1,k2,k3,…,k64；将64组二进制序列k1,k2,k3,…,k64进行异或运算得到中间变量：
4.根据权利要求2所述的基于4D混沌系统的图像加密方法，其特征在于，把初始值x0、y0、z0、w0代入4D混沌系统迭代1000次，继续迭代M×N次，得到四个混沌序列：X′＝[x′1,x′2,x′3,…x′M×N]、Y′＝[y′1,y′2,y′3,…y′M×N]、Z′＝[z′1,z′2,z′3,…z′M×N]、W′＝[w′1,w′2,w′3,…w′M×N]；
5.根据权利要求1或4所述的基于4D混沌系统的
6.根据权利要求5所述的基于4D混沌系统的图像加密方法，其特征在于，根据两个索引序列T1和T2对明文图像P进行奇偶置乱的方法为：
7.根据权利要求2、4或6所述的基于4D混沌系统的图像加密方法，其特征在于，所述对混沌序列U进行一系列处理得到位置索引坐标矩阵S1和位置索引坐标矩阵S2的方法为：将混沌矩阵U1的每一列进行排列得到索引矩阵I1，将矩阵U1的每一行进行排列得到索引矩阵I2；将索引矩阵I1的每一列元素加上所在列的列号得到位置坐标矩阵F1；将索引矩阵I2的每一行的元素加上所在行的行号得到位置坐标矩阵F2；将位置坐标矩阵F1的每一行按照索引矩阵I2的每一行进行交换得到位置索引坐标矩阵S1，将位置坐标矩阵F2的每一列按照索引矩阵I1的每一列进行交换得到位置索引坐标矩阵S2。
8.根据权利要求7所述的基于4D混沌系统的图像加密方法，其特征在于，所述排列为升序排列；将矩阵P5中的每个字符作为十六进制的高位字符，将矩阵P6中的每个字符作为十六进制的低位字符，恢复成一个十六进制的字符矩阵P7。
9.根据权利要求2、4、6、8中任意一项所述的基于4D混沌系统的图像加密方法，其特征在于，所述扩散的运算方法包括逻辑运算的异或运算以及初等运算中的加法、减法。
10.根据权利要求9所述的基于4D混沌系统的图像加密方法，其特征在于，所述扩散运算的实现方法为：将图像矩阵P8转换为一维数组P9，利用生成的混沌序列T的元素值选取不同的公式进行扩散：
...【技术特征摘要】
1.一种基于4d混沌系统的图像加密方法，其特征在于，其步骤如下：
2.根据权利要求1所述的基于4d混沌系统的图像加密方法，其特征在于，所述4d混沌系统的表达式为：
3.根据权利要求1或2所述的基于4d混沌系统的图像加密方法，其特征在于，所述通过外部密钥和哈希值h计算得到4d混沌系统的初始化参数x0、y0、z0、w0的方法为：将明文图像p输入sha-512算法中输出512位二进制的哈希值h；将哈希值h等分为64组、每组8位的二进制序列k1,k2,k3,…,k64；将64组二进制序列k1,k2,k3,…,k64进行异或运算得到中间变量：
4.根据权利要求2所述的基于4d混沌系统的图像加密方法，其特征在于，把初始值x0、y0、z0、w0代入4d混沌系统迭代1000次，继续迭代m×n次，得到四个混沌序列：x′＝[x′1,x′2,x′3,…x′m×n]、y′＝[y′1,y′2,y′3,…y′m×n]、z′＝[z′1,z′2,z′3,…z′m×n]、w′＝[w′1,w′2,w′3,…w′m×n]；
5.根据权利要求1或4所述的基于4d混沌系统的图像加密方法，其特征在于，对混沌序列u进行处理得到两个索引序列t1和t2的方法为：将混沌序列u重塑成与明文图像p大小一致的矩阵u1，对矩阵u1的每一行进行分析：记录奇数行中的奇数数量，记录偶数行中的偶数数量，得到长度为m的索引序列t1；对矩阵u1的每一列进行分析：则记录奇数列中的奇数数量，记录偶数列中的偶数数量，得到长度为n...
【专利技术属性】
技术研发人员：兰奇逊，郑新华，张衡，张勋才，韩聪慧，郭丹蕾，耿盛涛，焦洋洋，
申请(专利权)人：郑州轻工业大学，
类型：发明
国别省市：
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