[發明專利]一種具有快速密鑰流生成過程的混沌彩色圖像加密方法有效
| 申請號: | 201710246740.7 | 申請日: | 2017-04-16 |
| 公開(公告)號: | CN107633474B | 公開(公告)日: | 2019-09-27 |
| 發明(設計)人: | 付沖;王嘉誠;李辛悅;楊尹豪 | 申請(專利權)人: | 東北大學 |
| 主分類號: | G06T1/00 | 分類號: | G06T1/00;G06F21/60;G06N7/08 |
| 代理公司: | 沈陽優普達知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 21234 | 代理人: | 俞魯江 |
| 地址: | 110819 遼寧*** | 國省代碼: | 遼寧;21 |
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| 摘要: | |||
| 搜索關鍵詞: | 一種 具有 快速 密鑰 生成 過程 混沌 彩色 圖像 加密 方法 | ||
1.一種具有快速密鑰流生成過程的混沌彩色圖像加密方法,其特征在于:加密過程由置亂和替代兩個階段構成;置亂操作用于打亂圖像中各像素點的排列次序,其基于像素交換機制實現;替代操作用于改變每個像素的像素值,并且將每個像素的影響擴散至其后所有的像素中;置亂過程與替代過程所使用的密鑰流均基于Chen混沌系統迭代產生的序列量化生成;加密系統可根據安全性要求,實施不同輪數的加密操作,即加密輪數越多,安全性越高;采用對稱密鑰機制,Chen混沌系統狀態變量的初始值作為加/解密密鑰;
實現步驟如下:
步驟1:將待加密圖像像素按由左至右、由上至下的順序讀入一個一維數組中,記為imgData={p0,p1,…,p3×H×W-1},其中p0,p1,p2代表第一個點的紅、綠、藍三種顏色分量的子像素值,p3,p4,p5代表第二個點的紅、綠、藍三種顏色分量的像素值,以此類推;
步驟2:生成一個長度Lcs=len(imgData)的混沌序列;其中,len(imgData)返回明文圖像數組imgData的長度;具體操作方法為:
步驟2-1:預迭代Chen混沌系統N0次;N0為常量,取N0≥200,使其充分進入混沌狀態;Chen混沌系統的數學定義如下:
其中x,y,z為狀態變量,t代表時間,a,b,c為系統參數;當a=35,b=3,c=28時,系統處于混沌狀態;
采用四階龍格庫塔法對方程(1)進行求解,其公式為:
其中
h為步長,這里取0.005,xn,yn,zn代表第n次迭代值,其初始值(x0,y0,z0)作為加密或解密密鑰,由加密者設定;
步驟2-2:在步驟2-1的基礎上對方程(1)迭代H×W次;對于每次迭代,將3個狀態變量的當前值xn+1,yn+1,zn+1順序寫入一維數組ChenSeq={cs0,cs1,cs2,…,cs3×H×W-1};
步驟3:按照下式(3)對數組ChenSeq進行量化,得到置亂密鑰流permKstr={pk0,pk1,…,pk3×H×W-2};
其中,pos(pkn)函數返回pkn在數組permKstr中的位置,即n;abs(x)函數返回x的絕對值;sig(x,m)函數返回x的前m位有效數字;mod(x,y)函數返回x除以y的余數;本加密系統在實現時,所有的狀態變量均被定義為雙精度浮點數,64位double型,依據計算機表達精度,m設為15;
步驟4:按照下式(4)對數組ChenSeq進行量化,得到替代密鑰流subKstr={sk0,sk1,sk2,…,sk3×W×H-1};
skn=mod[sig((abs(csn),m),CL], (4)
其中,CL為輸入圖像的灰度級數,對于24位真彩色圖像,CL=256;
步驟5:對明文圖像實施置亂操作;
置亂策略為:將明文圖像數組imgData中的每一個子像素,與其后面的某一個子像素相交換,交換對象的坐標由置亂密鑰流permKstr決定;其中最后一個子像素除外,無需交換;
具體方法為:依次將明文圖像數組imgData中的每一個子像素pn,與位于pkn處的子像素相交換;由式(3)可知,pkn的取值范圍為[(n+1),(len(imgData)-1)],保證了每個子像素的交換目標從其后面選取,最后一個子像素除外;
步驟6:對置亂后的圖像實施替代操作;具體方法為:利用替代密鑰流subKstr對置亂后的圖像數組imgData中的每一個子像素實施加密,加密公式為:
其中,cn為對子像素pn加密得到的密文值,cn-1為前一個子像素的密文值,其初始值c-1可由加密者設為一取值范圍在[0,CL]的整型常量,⊕代表按位異或操作;
在對子像素的加密過程中,由于cn-1的引入,每一個子像素的影響都能被有效地擴散至后續所有的子像素中;
用于解密的公式(5)的逆變換為:
步驟7:可根據安全級別要求,進行多輪加密,即反復執行步驟5與步驟6;
步驟8:將數組imgData重排為一個H行、3×W列的矩陣,作為加密圖像輸出。
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