[發明專利]基于元胞自動機和分塊壓縮感知的圖像加密方法

有效

• 申請號: 201710546446.8
• 申請日: 2017-07-06
• 公開（公告）號: CN107481180B
• 公開（公告）日: 2019-10-22
• 發明（設計）人: 柴秀麗;符翔龍;魏丹;甘志華;路楊;張繼通
• 申請（專利權）人: 河南大學
• 主分類號: G06T1/00
• 分類號: G06T1/00;G06T9/00
• 代理公司: 鄭州大通專利商標代理有限公司 41111
• 代理人: 周艷巧

本發明涉及一種基于元胞自動機和分塊壓縮感知的圖像加密方法，采用單層小波分解將圖像分解為包含高頻和低頻的四個矩陣，對矩陣分別采用初等元胞自動機進行置亂；再采用不同的壓縮率進行壓縮感知，采用變參數混沌系統來構造測量矩陣，同時混沌系統的初始值和參數是通過明文圖像的SHA256函數產生的；對壓縮后的四個矩陣進行重組，并對重組后的矩陣進行置亂操作，得到密文圖像。本發明利用初等元胞自動機對圖像進行置亂，提高算法的安全性，通過壓縮感知對圖像進行壓縮加密，以減少數據量；一方面增加了密鑰空間，增強了算法抵抗暴力攻擊的能力，另一方面又使得密鑰的產生緊緊地依賴于明文，提高了算法抵抗選擇明文攻擊的能力。

技術領域

本發明屬于信息安全技術領域，涉及一種圖像加密方法，特別涉及一種基于元胞自動機和分塊壓縮感知的圖像加密方法。

背景技術

當今，隨著計算機技術，多媒體技術和數字信號處理技術的快速發展，越來越多的圖像特別是數字圖像通過網絡傳輸和保存。網絡技術帶給人們便利的同時，一些不法分子也會利用網絡竊取信息，如個人隱私，商業機密，甚至軍事機密，這些行為可能會損害個人和公司的利益，甚至威脅到國家安全。所以，信息安全越來越受到人們和國家的重視。通常來說圖像信息都有相同的特點，它們都存在著數據量大、相鄰像素相關性強、冗余度高等特點。過去常用的加密方法，是以一維數據流為設計目標的，像DES、3-DES、AES和RSA等，主要用于文本信息的加密，沒有考慮到數字圖像的特點，所以加密的效率不高。因此，提出了許多圖像加密算法，如基于混沌系統的加密算法，基于光學變換的加密算法和基于DNA計算的圖像加密算法等。因為圖像的數據量一般都比較大，信息冗余度高，不利于數據的傳輸。為了減少網絡傳輸數據量，圖像需經過壓縮來進行傳輸，將圖像壓縮與加密有效融合，這樣既可以提高圖像的安全性又可以提高傳輸效率，具有較高的實用價值。

近年來，壓縮感知(CS)在信息處理領域被廣泛應用，壓縮感知理論是在2006年，由Candés和Donoho提出的，該理論在采樣的同時實現壓縮。其核心思想是利用信息空間結構，將壓縮與采樣合并進行，突破了香農采樣定理的瓶頸，可以減少采樣點數，大大減少數據量。假定長度為n的信號X，在稀疏基上表示為：X＝Ψα，Ψ為正交矩陣，α＝Ψ^TX，其中，α向量中只有K個非零值，則信號X是稀疏的。根據CS理論，若存在一個與Ψ不相關的M×N變換基Φ，M<<N，信號X投影在Φ上得到M個投影值y＝ΦX，上述過程完成了對信號X的低速采樣和壓縮過程。壓縮感知理論主要包括信號的稀疏表示、編碼測量和重構算法。

混沌系統是一種非線性系統，能夠表現出復雜的偽隨機性。混沌現象具有不可重復，不可預測的行為。它對初始條件和控制參數極其敏感，任何微小的初始偏差，經過系統多次迭代后，都會產生很大的差別。混沌系統具有隨機性、確定性、遍歷性和對初值的高度敏感性等特點，我們可以設計出密鑰空間大、加密流隨機性強的加密算法，使它特別適合于圖像的加密。目前，采用混沌系統對圖像進行加密已經成為了信息安全領域研究的一個熱點，具有巨大的應用潛力。因為混沌系統是一種確定性系統表現出來的類隨機行為，一旦非線性系統方程，參數和初始值確定，其值也相對確定，因此穩定性較好。而且用混沌系統來設計測量矩陣僅需存儲和傳輸少量的參數，節省了內存空間和傳輸的壓力。與隨機矩陣相比，利用混沌系統來設計測量矩陣實現起來更簡單高效。

元胞自動機屬于一種離散的動力系統，具有在時間、狀態和空間上都離散的特性，除此之外，元胞結構簡單、并行性好，具有簡單的操作但復雜的行為，非常適合圖像加密。Wolfram首次提出了基于元胞自動機的加密算法,在他的模型中將元胞自動機的初始狀態作為密鑰,利用30號規則將元胞自動機迭代產生的偽隨機序列作為序列密碼，從而開創了元胞自動機在密碼學中的應用。近年來，隨著元胞自動機研究的不斷深入，將元胞自動機用于圖像加密領域越來越受到研究學者的青睞。

發明內容