[發明專利]一種基于四維陳氏超混沌系統與K-means聚類的圖像加密方法

有效

• 申請號: 201811322941.1
• 申請日: 2018-11-08
• 公開（公告）號: CN109376793B
• 公開（公告）日: 2022-03-15
• 發明（設計）人: 程東升;譚旭;鄔可可
• 申請（專利權）人: 深圳信息職業技術學院
• 主分類號: G06K9/62
• 分類號: G06K9/62;G06F21/60;G06F17/16
• 代理公司: 廣州赤信知識產權代理事務所(普通合伙) 44552
• 代理人: 龔素琴

本發明涉及圖像處理領域，具體公開一種基于四維陳氏超混沌系統與K?means聚類的圖像加密方法，本發明采用高維連續超混沌系統——四維陳氏系統來生成混沌序列，保障算法具有更大的密鑰空間，并通過K?means聚類算法對陳氏系統產生的混沌序列進行0,1化處理，得到偽隨機性能良好的二值序列（通過US NIST統計測試）。其次，據明文圖像的位（bit）面分解的性質，設計高效的置亂算法，并在置亂與擴散之間增加中間結果分存環節，提升加密安全。最后，改進傳統的線性擴散函數，利用偽隨機二進制序列產生的擴散矩陣，對初步密文像素執行線性雙向擴散，進一步提升系統抵御差分分析攻擊的性能。

技術領域

本發明涉及圖像處理領域，更具體地，涉及一種基于四維陳氏超混沌系統與K-means聚類的圖像加密方法。

背景技術

隨著互聯網和信息技術的快速發展，各種數字信息不斷地通過電子設備傳播。在數字信息中，數字圖像是一種比較直觀生動的信息。由于數字圖像可能涉及國家安全、商業利益和個人隱私等，因此，需要對其進行加密保護，特別是在傳輸過程中。當前，主流的數字圖像加密方案是基于混沌理論的置亂-擴散方案，即利用混沌系統生產的混沌序列，先對圖像像素進行空間位置置亂，得到置亂圖像，然后再對置亂圖像進行像素值擴散，最后得到加密密文。

基于混沌理論的置亂-擴散圖像加密方案總體上具有較好的安全性，但也存在一些問題，主要表現在以下幾個方面。首先，基于低維混沌系統的秘鑰仍存在被破譯的風險，特別是對于一維混沌系統。其次，對于高維混沌系統而言，其具有較高的安全性，但通常也具有較高的時空復雜性，影響了圖像加解密的效率，特別是當頻繁產生混沌序列的時候。最后，通過混沌系統生成的混沌序列多數沒有經過統計測試，其偽隨機性有待檢驗，因此，加密安全需要進一步提升。

發明內容

針對當前加密方案的不足，本發明提出一種基于四維陳氏超混沌系統與K-means聚類的圖像加密方法，以進一步提升基于混沌系統的數字圖像加密安全同時兼顧加密效率，為數字圖像信息安全技術領域提供重要的應用基礎。

為了實現上述目的，本發明的技術方案為：

一種基于四維陳氏超混沌系統與K-means聚類的圖像加密方法，采用高維連續超混沌系統——四維陳氏系統來生成混沌序列，保障算法具有更大的密鑰空間，并通過K-means聚類算法對陳氏系統產生的混沌序列進行0,1化處理，得到偽隨機性能良好的二值序列(通過US NIST統計測試)。其次，根據明文圖像的位(bit)面分解的性質，設計高效的置亂算法，并在置亂與擴散之間增加中間結果分存環節，提升加密安全。最后，改進傳統的線性擴散函數，利用偽隨機二進制序列產生的擴散矩陣，對初步密文像素執行線性雙向擴散，進一步提升系統抵御差分分析攻擊的性能。

優選的，上述方法具體為：

采用四維超混沌陳氏系統來生成混沌序列，并通過K-means聚類算法對四維超混沌陳氏系統產生的混沌序列進行0,1化處理，得到偽隨機二進制序列，其過程為：

第一步，已知四維超混沌陳氏系統為：

其中，x,y,z,w為關于時間t的未知量，dx/dt,dy/dt,dz/dt,dw/dt為未知量關于時間t的導數，a,b,c,d,r為控制參數；