[發明專利]一種明文構建初始密鑰的復合混沌圖像加密方法

在審

• 申請號: 201410314713.5
• 申請日: 2014-07-03
• 公開（公告）號: CN104050625A
• 公開（公告）日: 2014-09-17
• 發明（設計）人: 劉仕輝;仇潤鶴
• 申請（專利權）人: 東華大學
• 主分類號: G06T1/00
• 分類號: G06T1/00
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 翁若瑩

技術領域

本發明涉及一種基于明文圖像而產生的初始密鑰的復合混沌圖像加密方法，屬于通信電子技術與圖像信號處理技術領域。

背景技術

隨著物聯網信息技術的迅速發展，網絡傳輸變得方便與快捷，越來越多的信息和通訊在網絡中傳輸。圖像由于能夠很直觀清晰的體現傳遞信息的內容和含義，較好的傳遞意圖與目的，因此被廣泛的應用于信息傳輸?？墒菍τ趥鬏攬D像，由于其內在的特殊性(包含機密與隱私)，所以在傳輸中必須進行加密處理，以防止發生信息竊取、數據篡改。圖像加密是圖像處理的一個重要分支，近年來，越來越多的學者關注并研究混沌理論在圖像加密中的應用。由于混沌系統其內在的偽隨機性、不可預測性、非周期性、對初始條件的極度敏感型等特點，因此非常適合保密通信。

近幾年來，國內外許多學術研究人員提出了一系列的新的混沌算法。例如鄧玥，王廣義，袁方利用Rossler系統的混沌序列和亂序映射，實現了二次像素加密和一次密鑰映射加密，從而提出的混沌圖像加密算法；張平，張定會，張雅奇根據復合混沌系統分別對圖像進行加密，以提高密鑰空間而提出的基于Henon映射和Rossler混沌映射加密算法。此兩種加密方式都是通過混沌系統反復迭代并對對圖像進行異或操作從而達到加密，同時也擴大了密鑰空間，有效抵御強力攻擊，所以加密效果較好。在專利方面，杜翠霞、張定會、張宗楠的專利——超混沌Rossler系統的彩色圖像加密方法(專利公開號：CN103440613A)提供了一種利用超混沌系統進行加密的算法；柴秀麗、武相軍等人專利——基于混沌序列和超混沌系統的彩色圖像加密(專利公開號：CN103489151A)涉及一種對原始彩色圖像進行位級聯合置亂，再利用超混沌系統對其進行聯合擴散，達到加密；張強、薛香蓮、魏小鵬的專利——基于DNA序列與多混沌映射的圖像融合加密方法(專利公開號：CN101706947A)提出一種利用Cubic映射和小波函數產生的二維混沌序列置亂編碼原始圖像和模板圖像得到的兩個DNA序列矩陣；然后對置亂后的兩個DNA序列矩陣做加法運算；最后利用Logistic映射產生的混沌序列與由加法運算得到的DNA序列矩陣相作用來得到加密圖像。

現有的大部分混沌加密系統基本都是基于超混沌系統或幾個三維混沌系統相級聯，雖然能夠擴大其密鑰空間，有效的抵御強力攻擊，但是在保密性方面還是存在一定的缺陷。例如對于超混沌系統，加密時間周期太長，計算較復雜；復合混沌加密，雖然擴大了密鑰空間，但是其加密算法對明文、密鑰不極度敏感；同時，有些復合混沌系統之間在構建加密算法過程中并無內在的相關性，他們的復合僅僅是在數量上的應用，只能夠起到擴大密鑰空間的作用，所以無法抵御差分攻擊。

發明內容

本發明的目的是使得圖像加密的保密性得以提高且算法對明文極度敏感，從而能有效抵御差分攻擊。

為了達到上述目的，本發明的技術方案是提供了一種明文構建初始密鑰的復合混沌圖像加密方法，其特征在于，步驟為：

步驟1、依據明文圖像像素值和初始給定值實現圖像預處理，確定迭代初始值，包括：

步驟1.1、取明文圖像像素的任一水平、豎直及斜對角上的任意多數組成三個數列；

步驟1.2、將步驟1.1得到的三個數列中的數字分別相加，再與1000求模得到三個數值，分別記為R，C，H；

步驟1.3、任意取三個初始值，分別記為X₁₀，X₂₀，X₃₀，每個初始值的取值范圍在[-1，1]之間，且精確到小數點后四位；步驟1.4、將X₁₀，X₂₀，X₃₀與R，C，H分別相加求和，再擴大1000倍，對255求模，再除以255，得到初始密鑰，分別記為X₁₁，X₂₁，X₃₁；

步驟2、利用復合混沌系統分別對明文圖像進行置亂與擴散，達到對明文圖像加密的目的，包括：

步驟2.1、將初始密鑰X₁₁，X₂₁，X₃₁代入Lorenz系統，迭代生成序列x，y，z；

步驟2.2、將大小為M×N的明文圖像轉換為灰度圖像，得到灰度圖像像素矩陣，將灰度圖像像素矩陣轉換為[M×N，1]形式的明文圖像數字矩陣，再分別從序列x，y，z中選取數字，組成[M×N，1]形式的置亂數字矩陣；