[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

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,…,p_3×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L_cs＝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，x_n,y_n,z_n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x_n+1,y_n+1,z_n+1順序寫入一維數組ChenSeq＝{cs₀,cs₁,cs₂,…,cs_3×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,…,pk_3×H×W-2}；

其中，pos(pk_n)函數返回pk_n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,…,sk_3×W×H-1}；

sk_n＝mod[sig((abs(cs_n),m),C_L], (4)

其中，C_L為輸入圖像的灰度級數，對于24位真彩色圖像，C_L＝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p_n，與位于pk_n處的子像素相交換；由式(3)可知，pk_n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，c_n為對子像素p_n加密得到的密文值，c_n-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,C_L]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c_n-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。