[發明專利]基于混沌分割的多擴散圖像加密解密方法

有效

• 申請號: 201810922473.5
• 申請日: 2018-08-14
• 公開（公告）號: CN108965639B
• 公開（公告）日: 2019-11-08
• 發明（設計）人: 李錦青;底曉強;畢琳;解男男;祁暉;從立鋼;任維武;王歡;王晶春;丁勇;李佳歡;趙巍;劉曉杰;滿振龍;陳曉冬;管紅梅
• 申請（專利權）人: 長春理工大學
• 主分類號: H04N1/32
• 分類號: H04N1/32
• 代理公司: 長春眾邦菁華知識產權代理有限公司 22214
• 代理人: 王丹陽

1.基于混沌分割的多擴散圖像加密解密方法，包括圖像加密過程和圖像解密過程，其特征是，加密過程和解密過程由以下步驟實現：

用戶加密密鑰為：細胞神經網絡初值和迭代次數，混沌密鑰矩陣的控制參數ku₁，ku₂，混沌控制矩陣的控制參數ku₃，ku₄，混沌控制表的控制參數ku₅，混沌交換表的控制參數ku₆，混沌動態擴散密鑰流的控制參數ku₇，ku₈，動態加密控制參數ku₉；

加密過程：

步驟一、獲取大小為M×N的圖像作為原始圖像Image；

步驟二、采用混沌系統生成偽隨機序列S，并將所述偽隨機序列S進行數值映射變換得到圖像分割混沌序列Fgs，變換方法為：

步驟三、將偽隨機序列S中元素的數值按下式方法映射為大于等于1，小于等于M之間的整數，構成整數隨機序列fs：

fs＝ceil(mod(S*10⁵)，M)

其中，mod表示求余操作，ceil表示向上取整操作；

消除整數隨機序列fs中數值相等的重復數據，并從前至后截斷保留前M/2個數據，獲得混沌分割序列Fgs，用公式表示為：

Fgs(i)＝～ismember(Fgs(i)，fs(l))

式中，i＝1，2，3...M/2，～ismember表示去除重復元素的函數；

步驟四、對步驟一所述原始圖像Image進行混沌圖像分割，獲得圖像塊img1和圖像塊img2，

所述混沌分割方法為：采用步驟三所得混沌分割序列Fgs中的元素表示原始圖像中的行號，將原始圖像中所有的第Fgs(j)行提取出來構成圖像塊img1，剩余的圖像行構成圖像塊img2，采用下式表示為：

img1(i，：)＝Image(Fgs(j)，：)

img2＝Image-img1

其中j＝1，2，3，...N/2；

步驟五、以用戶加密密鑰中的細胞神經網絡初值和迭代次數，迭代細胞神經網絡超混沌系統，選取迭代1000次之后的M×N次的迭代結果生成六個偽隨機序列X1，Y1，Z1，W1，F1，H1；

步驟六、構建混沌控制集合；將步驟五所述的偽隨機序列X1，Y1，Z1，W1，F1，H1組合成為混沌控制集合Set1＝{X1，Y1，Z1，W1，F1，H1}；

步驟七、生成控制開關序列；由步驟五所述的六個偽隨機序列X1，Y1，Z1，W1，F1，H1以下式方法構建三個控制開關序列K1，K2，K3：

式中abs為是求絕對值的函數，floor為向下取整操作，且k＝1，2，3....M×N；

步驟八、構建混沌密鑰集合；選取步驟五中獲得的六個偽隨機序列Z1，Y1，Z1，W1，F1，H1，并將每個偽隨機序列中的前一半元素構成混沌序列，分別為混沌序列X2，Y2，Z2，W2，F2，H2，將所述混沌序列X2，Y2，Z2，W2，F2，H2分別按由上到下，由左到右的順序進行矩陣變換得到混沌矩陣CNNX，CNNY，CNNZ，CNNW，CNNF，CNNH；將所述混沌矩陣CNNX，CNNY，CNNZ，CNNW，CNNF，CNNH組合成為一個三維矩陣，獲得混沌密鑰集合Set＝{CNNX，CNNY，CNNZ，CNNW，CNNF，CNNH}；

步驟九、構建混沌密鑰矩陣CNN1、CNN2、CNN3、CNN4；構建方法如下式：

步驟十、構建混沌控制表CCT；構建方法采用下式：

bitxor為按位異或函數；

步驟十一、構建混沌交換表CEXT，CEYT，方法如下表示為：

其中n＝1，2，3……，N；

步驟十二、對步驟四中獲得的圖像塊img1和圖像塊img2分別進行加擾；獲得加擾圖像塊Pimg1和加擾圖像塊Pimg2；

步驟十三、采用步驟九中獲得的混沌密鑰矩陣CNN1和CNN2對步驟十二中得到的加擾圖像塊Pimg1進行靜態擴散，獲得靜態擴散矩陣J1，擴散方法如下式：

J1(i，n)＝bitxor(CNN2(i，n)，bitxor(CNN1(i，n)，Pimg1(i，n)))

采用混沌密鑰矩陣CNN3和CNN4對加擾圖像塊Pimg2進行靜態擴散，獲得靜態擴散矩陣J2，擴散方法用下式表示為：

J2(i，n)＝bitxor(CNN4(i，n)，bitxor(CNN3(i，n)，Pimg2(i，n)))

步驟十四、將步驟十三中所述靜態擴散序列J1和靜態擴散序列J2進行拼接，獲得長度為M×N合并靜態擴散序列CJ，拼接方法用下式表示為：

步驟十五、由步驟六獲得的混沌控制集合Set1生成混沌動態擴散密鑰流CK1和CK2，方法用下式表示為：

步驟十六、對步驟十四中所述靜態擴散序列CJ進行動態加密，獲得動態加密序列D_G，用下式表示為：

步驟十七、將步驟十六中得到的動態加密序列D_G按由上到下，由左到右的順序進行矩陣變換，得加密圖像Cimage；

設定用戶解密密鑰，細胞神經網絡初值和迭代次數，dku₁，dku₂為解密混沌密鑰矩陣的控制參數，dku₃，dku₄為解密混沌控制矩陣的控制參數，dku₅為解密混沌控制表的控制參數，dku₆為解密混沌交換表的控制參數，dku₇，dku₈為解密混沌動態擴散密鑰流的控制參數，dku₉為動態逆擴散的控制參數；

解密過程：

步驟十八、使用混沌系統生成解密偽隨機序列DS，將所述解密偽隨機序列DS進行數值映射變換得到解密圖像分割混沌序列DFgs；

步驟十九、以用戶解密密鑰中的細胞神經網絡初值和迭代次數，迭代細胞神經網絡超混沌系統，選取迭代tm次之后的M×N次的迭代結果生成六個解密偽隨機序列DX1，DY1，DZ1，DW1，DF1，DH1；

步驟二十、構建解密混沌控制集合，將步驟十九所述的解密偽隨機序列DX1，DY1，DZ1，DW1，DF1，DH1組合成為序列集合，獲得解密混沌控制集合DSet1＝{DX1，DY1，DZ1，DW1，DF1，DH1}；

步驟二十一、生成解密控制開關序列；由步驟十九所述的六個解密偽隨機序列DX1，DY1，DZ1，DW1，DF1，DH1以下式方法構建三個解密控制開關序列DK1，DK2，DK3；

步驟二十二、構建解密混沌密鑰集合；選取步驟十九中獲得的解密偽隨機序列DX1，DY1，DZ1，DW1，DF1，DH1，將每個解密偽隨機序列中的前一半元素構成解密混沌序列，分別為DX2，DY2，DZ2，DW2，DF2，DH2；將所述解密混沌序列DX2，DY2，DZ2，DW2，DF2，DH2分別按由上到下，由左到右的順序進行矩陣變換得到解密混沌矩陣DCNNX，DCNNY，DCNNZ，DCNNW，DCNNF，DCNNH；將所述解密混沌矩陣DCNNX，DCNNY，DCNNZ，DCNNW，DCNNF，DCNNH組合成為一個三維矩陣，獲得解密混沌密鑰集合DSet，DSet＝{DCNNX，DCNNY，DCNNZ，DCNNW，DCNNF，DCNNH)；

步驟二十三、構建解密混沌密鑰矩陣DCNN1、DCNN2、DCNN3、DCNN4；構建方法如下式：

步驟二十四、構建解密混沌控制表DCCT；構建方法如下式：

步驟二十五、構建解密混沌交換表DCEXT和解密混沌交換表DCEYT，方法由下式表示：

步驟二十六、生成解密混沌動態擴散密鑰流DCK1和DCK2，方法用下式表示為：

步驟二十七、將步驟十七中得到的加密圖像Cimage按由上到下，由左到右的順序進行矩陣變換得一維序列SC并進行動態逆擴散，獲得動態逆擴散序列DCJ，方法如下式：

步驟二十八、將步驟二十七獲得的動態逆擴散序列DCJ前后拆分為逆擴散序列DJ1和逆擴散序列DJ2，方法如下式：

步驟二十九、將步驟二十八所述的逆擴散序列DJ1和逆擴散序列DJ2，按照從上到下，從左到右的順序進行矩陣變換，獲得逆擴散矩陣DJ1M和逆擴散矩陣DJ2M；

步驟三十、對步驟二十三中所述解密混沌密鑰矩陣DCNN1、DCNN2、DCNN3和DCNN4對步驟二十九獲得的逆擴散矩陣DJ1M和逆擴散矩陣DJ2M進行靜態擴散的逆操作，獲得靜態逆擴散矩陣DE1和靜態逆擴散矩陣DE2，方法如下式：

DE1(i，n)＝bitxor(DCNN1(i，n)，bitxor(DCNN2(i，n)，DJ1M(i，n)))

DE2(i，n)＝bitxor(DCNN3(i，n)，bitxor(DCNN4(i，n)，DJ2M(i，n)))

步驟三十一、將步驟三十中所述的靜態逆擴散矩陣DE2和靜態逆擴散矩陣DE1進行逆向加擾，獲得逆加擾圖像塊DPME2和逆加擾圖像塊DPME1；

步驟三十二、建立大小為M×N的全零矩陣DZ，將逆加擾圖像塊DPME1中的行放入DZ中的第DFgs(i)行，將逆加擾圖像塊DPME2中的每行元素，按由上到下的順序填充到所述DZ剩余行中，填充完成后得到完整的解密圖像Dimage。