[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

本發明設計了一種具有快速密鑰流生成過程的混沌彩色圖像加密方法。該方法基于“置亂—替代”架構構建，“置亂”與“替代”過程共享由Chen混沌系統迭代產生的混沌序列，并獨立量化生成各自所需的密鑰流。置亂操作基于像素點交換機制實現。在替代操作中，通過將每個像素的影響擴散至其后所有像素點，保證了加密系統可有效抵御選擇明文攻擊。本發明方法所需的混沌系統迭代次數為傳統方法的一半，因此提高了加密系統的計算效率。實際加密速度測試結果表明，本發明方法加密一幅圖像所需時間顯著低于傳統方法。同時，密碼學分析與測試結果表明，本發明所提出的加密方法具有良好的安全性。

技術領域

本發明涉及圖像加密技術，具體說是一種具有快速密鑰流生成過程的混沌彩色圖像加密方法。

背景技術

近年來，隨著多媒體與計算機網絡技術的飛速發展，數字圖像作為最直觀的信 息載體已成為人們進行信息交流的重要手段。越來越多的數字圖像在以Internet、無 線網絡等為代表的開放性網絡中傳播，極大地方便了信息的訪問與共享。與此同時， 商業、金融、醫療、科研、軍事、政治等諸多敏感領域的圖像信息在開放網絡環境 下的傳輸存在著巨大的安全隱患，因此圖像信息的安全問題引起了普遍的關注。在 近年來所提出的多種圖像加密方案中，基于混沌的方案具有顯著的技術優勢和應用 潛力，成為了密碼學領域近年來的一個研究熱點。

上世紀90年代初，研究人員發現混沌學與密碼學之間存在著天然的聯系。混 沌系統所具有的初始條件敏感性、遍歷性、軌道不可預測性以及偽隨機性等一系列 特性，能夠很好地匹配一個完善的密碼系統的設計準則?；诨煦鐒恿W構造的加 密系統，在設計上具有很強的靈活性，可提供安全性與計算效率間的一個良好的平 衡，特別適合對數據量較大的數字圖像進行加密，實現數字圖像的實時、安全傳輸。 1998年，美國學者JessicaFridrich提出了首個通用的圖像加密架構。該架構通過“置 亂”(permutation)與“替代”(substitution)兩個核心過程來實現一個安全的圖像加密 系統。在置亂階段，圖像中每個像素點的位置以一種偽隨機的方式被打亂。在替代 階段，每個點的像素值在密鑰流作用下依次被改變，同時，將每個像素點的影響擴 散至整個密文圖像，從而保證加密系統可有效抵御選擇明文攻擊。

在其后十余年間，世界各國學者以Fridrich所提出的架構為基礎，對基于混沌 的數字圖像加密技術進行了廣泛深入的研究，取得了諸多成果。在現有的研究中， “置亂”與“替代”過程使用兩個獨立的混沌系統，通過對混沌系統的迭代與量化 操作，產生所需的置亂與替代密鑰流。本發明設計了一種具有快速密鑰流生成過程 的混沌彩色圖像加密方法。在該方法中，“置亂”與“替代”過程共享由Chen混沌 系統迭代產生的混沌序列，并獨立量化生成各自所需的密鑰流。由于該方法所需的 混沌系統迭代次數為傳統方法的一半，因此提高了加密系統的計算效率。實際加密 速度測試結果表明，本發明方法加密一幅圖像所需時間顯著低于傳統方法。同時， 密碼學分析與測試結果表明，本發明所提出的加密方法具有良好的安全性。

發明內容

本發明的目的是提供一種具有快速密鑰流生成過程的混沌彩色圖像加密方法。

本發明采用的技術方案是：

一種具有快速密鑰流生成過程的混沌彩色圖像加密方法，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；

實現方法如下：