[發明專利]一種基于Chen系統和細胞自動機的數字圖像加密方法

有效

• 申請號: 201710947062.7
• 申請日: 2017-10-12
• 公開（公告）號: CN107886463B
• 公開（公告）日: 2020-03-24
• 發明（設計）人: 張偉;朱志良;于海;趙玉麗
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: G06T1/00
• 分類號: G06T1/00
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 陳玲玉;梅洪玉

本發明提出一種基于Chen系統和細胞自動機的數字圖像加密方法。通過結合低維混沌系統Logisitc map和高維混沌系統Chen系統各自的特點，結合正向逆向雙向擴散機制和細胞自動機的代間擴散機制，使得本算法具有加密效果好，安全性高等特點?？蓱糜诟鞣N數字多媒體終端和服務器端，實時對單張數字圖像或批量數字圖像進行加密。

技術領域

本發明屬于數字圖像機密技術領域，主要涉及數字多媒體信息領域中的信息 保護、信息安全技術以及加密技術，具體涉及到一套基于Chen系統和細胞自動 機的數字圖像機密方法。

技術背景

現有的數字圖像加密中，大都采用1997年由美國科學家Fridrich提出的置亂 擴散框架。科研人員基于這種框架已經提出了一系列的加密算法。在這類加密 算法中，每一輪加密都包含兩個主要步驟，即置亂階段和擴散階段。在置亂階 段中，首先將待加密的明文看成一個二維矩陣。矩陣中的每一個元素的位置為 當前矩陣的橫坐標和縱坐標，每一個元素的值為其像素點的值。置亂階段的主 要做用是根據隨機序列發生器產生的映射規則對矩陣的橫縱坐標進行加密，即 置亂階段改變的是像素點的位置。在擴散階段，加密系統線性的改變每一個像 素點的值。這種加密方法通常需要多輪加密才能夠達到安全狀態。往往耗時較 長，效率較低。

對于圖像加密算法來說，實時性和安全性往往是兩個重點內容。對于實時性 來說，往往需要加密算法具有輕量級的特點，即通過快速的較少輪數的加密， 可以使數字圖像轉換成安全的密文圖像。對于安全性來說，往往需要加密系統 具有三種敏感性，即秘鑰敏感性、明文變化敏感性，解密過程敏感性。除此之 外，偽隨機序列的性能也直接決定著加密系統的安全性。

目前已有算法主要存在的問題主要基于以下兩個方面。一，速度較慢。根據Fridrich框架的設計準則，每一輪加密應該包括若干輪的置亂和一輪的擴散操作。 而整個加密過程需要若干輪的加密才能使得密文達到安全狀態。二、安全性較 低。一個算法的安全性需要從多個方面進行衡量，一般包括柱狀圖測試、相關 性系數測試、差分攻擊測試、信息熵測試、加密敏感性測試等等。已有的算法 往往在部分測試中數據較好，而另外部分測試效果較差。

發明內容

傳統二進制信息數字圖像信息具有特殊的性質，例如數據冗余度高、信息 量大、可理解性好等特點。而這些特點使得傳統密碼學方法，例如DES和AES 在對數字圖像進行加密操作時表現較為笨拙，不夠靈巧。而近年來基于混沌理 論的數字圖像加密技術通常直接對像素點進行按操作，雖然在一定程度上考慮 了數字圖像的性質，但是往往需要進行多輪加密才能達到安全狀態。針對以上 問題，本發明提供一種輕量級的、安全的、可操作性高的基于Chen系統和細胞 自動機的數字圖像加密方法。

本發明的技術解決方案如下：

明文敏感性對于一個加密算法來講是至關重要的。因為攻擊者往往會對明文 做出微小的改變，然后將修改后的明文輸入到加密系統當中，觀察對應的密文 出現了哪些變化。通過若干輪的這樣的操作，就可以得到明文和密文的映射關 系。這種攻擊稱為差分攻擊。在以往的加密方案中，通常需要在加密操作中增 加額外的步驟，使得當前密文與之前的密文的某一個函數值相關，從而增加加 密算法的明文敏感性。

細胞自動機技術(Cellular Automata)技術的提出，可以從擴散機制上進一步 增強加密算法抵抗差分攻擊的能力。細胞自動機技術通過內在的代間進化機制， 使得所有操作原子(加密算法中原子可以看作為像素點)對任意原子的變化都 非常敏感。而目前，細胞自動機技術主要被用作隨機序列發生器。

細胞自動機由一個有限元素的集合，集合中每一個元素的取值范圍，以及更 新算法三部分組成。集合中的每一個元素成為一個細胞(cell)或者單元。集合 中的元素在時空域的范圍內根據更新算法進行迭代。一個典型的細胞自動機可 以定義為：