[發明專利]一種基于聚類和混沌的圖像加密方法

有效

• 申請號: 201611085888.9
• 申請日: 2016-12-01
• 公開（公告）號: CN106651976B
• 公開（公告）日: 2019-09-27
• 發明（設計）人: 盧志茂;劉清文;范冬梅
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06T9/00
• 分類號: G06T9/00;G06K9/62
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 梅洪玉

本發明涉及圖像處理領域，具體應用于圖像加密過程中，涉及一種基于聚類和混沌的圖像加密方法。本發明首先，將圖像的每個像素看作是一個“點”，使用混沌系統或非線性方程生成每個“點”的坐標，通過k?means聚類算法的聚類結果實現圖像混淆的目的。然后使用混沌系統產生的密鑰序列來擴散圖像。為了增強密鑰敏感性和明文敏感性，安全散列算法作為一個輔助工具來使用，作用是生成混沌映射的初始值。本發明增強了密鑰敏感性和明文敏感性，像素間的相關性抺滅強烈，增強了混沌程度，實驗結果表明本方法能夠抵抗常見的攻擊并具有良好的安全性。

技術領域

本發明涉及圖像處理領域，具體應用于圖像加密過程中，涉及一種基于聚類和混沌的圖像加密方法。

背景技術

云計算和大數據的研究如火如荼，移動互聯網深入發展，越來越多的人采用圖片的方式來記錄生活和工作中的點點滴滴，因此保證其安全性顯得更為重要。但是由于圖像具有信息量大、高冗余性以及相鄰像素相關性強等特點，傳統的加密算法如DES，AES，RSA等已經不能滿足數學圖像的加密需求。混沌作為非線性科學的一個重要分支，具有自己獨有的特征：對初始條件的敏感性、偽隨機性等，使其得到廣泛的研究，尤其是在圖像加密方面。而如今，許多加密算法是由其作者直接基于矩陣變換或他們自己定義的嚴苛規則而構建的，在設計上存在不足或缺陷。另外，一些加密算法僅僅將混沌系統生成的偽隨機序列直接作用于圖像序列上。針對這些問題，本文嘗試使用機器學習中的k-means聚類算法，提出了一個全新的混沌圖像加密算法。

k-means算法：接受輸入量k，然后將n個數據對象劃分為k個聚類以便使得所獲得的聚類滿足以下條件：同一聚類中的對象相似度較高；而不同聚類中的對象相似度較小。以歐式距離作為相似度測度，它是求對應某一初始聚類中心向量V最優分類，使得評價指標J最小。算法采用誤差平方和準則函數作為聚類準則函數。這是一個成熟的技術，能夠很好的運用在加密過程中。

Wang等提出了一種基于行和列切換的快速圖像加密算法(X Wang，Q Wang，YZhang.A fast image algorithm based on rows and columns switch[J].NonlinearDynamics,2014,79(2):1141-1149)以及AV Diaconu也提出了一種基于聰明方格的圖像加密算法(AV Diaconu.KENKEN PUZZLE-BASED IMAGE ENCRYPTION ALGORITHM[J].Proceedings of the Romanian Academy-Series A:Mathematics,Physics,TechnicalSciences,Information Science)，對其進行安全性分析可以發現其像素間的相關性抺滅的不夠強烈，信息熵也顯示出其混沌程度不夠，故其抗攻擊性不強。鑒于此，本發明提出了一種新的圖像加密方法，以增強其抵抗攻擊的能力。

發明內容

本發明的目的在于擺脫那些僵化的規則和解決敏感性低和抗攻擊能力不足的問題，本發明利用典型的k均值聚類算法輔助設計圖像加密算法，提出了一種基于聚類和混沌的圖像加密方法。

具體技術方案如下：

第一步，根據混沌系統或非線性方程產生密鑰序列，在該序列中選取聚類的數據和聚類中心點的初值，其中，初值由安全散列算法確定；

第二步，將上一步得到的密鑰序列傳入聚類算法中進行操作，將最終的聚類結果與圖像像素索引進行一一相應，將同類別的像素值放置在一起，得到置亂圖像；

第三步，對置亂圖像的像素值與由密鑰序列得到的數據進行異或操作，對圖像進行擴散，最終得到加密后的圖像。

上述的混沌系統為Logistic混沌映射或者分段線性混沌映射。

上述第二步所述的密鑰序列由Logistic混沌映射或者分段線性混沌映射產生；第三步所述的密鑰序列由Logistic混沌映射或者分段線性混沌映射產生。