[發(fā)明專利]一種基于多渦卷混沌系統(tǒng)的圖像加密方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911159803.0
• 申請(qǐng)日: 2019-11-22
• 公開（公告）號(hào): CN110929279A
• 公開（公告）日: 2020-03-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王興元;葉曉林
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連海事大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F21/60
• 分類號(hào): G06F21/60;G06N7/08
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責(zé)任公司 21212
• 代理人: 姜玉蓉;李洪福

本發(fā)明提供一種基于多渦卷混沌系統(tǒng)的圖像加密方法。本發(fā)明方法，包括：S1、構(gòu)造基于Chua’s系統(tǒng)的多渦卷混沌系統(tǒng)；S2、設(shè)置混沌秘鑰參數(shù)，產(chǎn)生一個(gè)新的多渦卷混沌系統(tǒng)；S3、結(jié)合Arnold映射方法對(duì)明文進(jìn)行像素點(diǎn)的置亂；S4、基于新的多渦卷混沌系統(tǒng)設(shè)計(jì)隨機(jī)擴(kuò)散方法。本發(fā)明的技術(shù)方案解決了現(xiàn)有技術(shù)中的用于圖像加密的混沌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)單、復(fù)雜度較低、與加密算法的聯(lián)系度差導(dǎo)致的密文抗破譯能力不強(qiáng)等問(wèn)題。本發(fā)明提出的圖像加密方法具有更好的安全性以及更強(qiáng)的抗破譯能力。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及保密通信、信息安全、計(jì)算機(jī)圖像加密技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，尤其涉及一種基于多渦卷混沌系統(tǒng)的圖像加密方法。

背景技術(shù)

近年來(lái)，混沌理論的研究一直是非線性科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。由于混沌系統(tǒng)具有極高的敏感性和良好的偽隨機(jī)性，因此在密碼學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于混沌密鑰的生成機(jī)制與其他傳統(tǒng)密碼體制不同，所以在實(shí)時(shí)加密方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。特別是在圖像處理過(guò)程中，需要大量的數(shù)據(jù)，相鄰數(shù)據(jù)之間有很強(qiáng)的相關(guān)性。這導(dǎo)致了傳統(tǒng)密碼學(xué)中圖像信息的加密效率較低，甚至不能滿足實(shí)時(shí)加密的需要。與傳統(tǒng)加密方法相比，基于混沌系統(tǒng)的加密算法在處理大數(shù)據(jù)信息方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。然而由于至今發(fā)現(xiàn)的混沌系統(tǒng)數(shù)量較少，可以用于混沌圖像加密的模型更是寥寥無(wú)幾，這使得破解密文的難度與日降低。而在混沌圖像加密算法的設(shè)計(jì)中，混沌系統(tǒng)往往僅用于產(chǎn)生混沌干擾參數(shù)，能結(jié)合其他算法設(shè)計(jì)的相對(duì)較少，真正以混沌系統(tǒng)為主要設(shè)計(jì)方案的更是罕見。

多渦卷混沌系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的混沌系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)靜態(tài)混沌系統(tǒng)平衡點(diǎn)的分析，可以計(jì)算出相關(guān)控制參數(shù)進(jìn)而設(shè)計(jì)成為一個(gè)動(dòng)態(tài)的多渦卷混沌系統(tǒng)。控制器一般選擇三角發(fā)生器或符號(hào)函數(shù)發(fā)生器，通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)生器的參數(shù)進(jìn)而可以控制系統(tǒng)產(chǎn)生的混沌吸引子數(shù)量。系統(tǒng)如果是動(dòng)態(tài)的，意味著有更多變化的可能。從加密算法抗破譯能力的角度來(lái)說(shuō)，多渦卷系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性非常符合其核心思想。以多渦卷動(dòng)態(tài)系統(tǒng)為基礎(chǔ)結(jié)合其它算法進(jìn)行圖像加密算法的設(shè)計(jì)，可以有效地提升算法的安全性和抗破譯能力。這對(duì)于保密通信、計(jì)算機(jī)圖像加密等相關(guān)領(lǐng)域的研究具有重要的意義。

當(dāng)我們?cè)谶x擇系統(tǒng)應(yīng)用于加密算法中時(shí)，最佳的選擇是真隨機(jī)序列。因?yàn)檎骐S機(jī)序列本質(zhì)上是一個(gè)完全隨機(jī)的序列，加密效果也一定是最理想的。然而，由于完全隨機(jī)序列難以解密，因此常用于單向加密?；煦缧蛄芯哂辛己玫膫坞S機(jī)性，在混沌密鑰設(shè)置后，混沌序列的所得到的值是唯一確定的。所以近年來(lái)，混沌加密一度成為信息安全、圖像加密等領(lǐng)域的熱門研究課題之一。但是，由于混沌系統(tǒng)模型的數(shù)量有限，常用的系統(tǒng)也是低維的靜態(tài)系統(tǒng)且沒(méi)有很好的融入到算法的設(shè)計(jì)中。

發(fā)明內(nèi)容

根據(jù)上述提出的技術(shù)問(wèn)題，而提供一種基于多渦卷混沌系統(tǒng)的圖像加密方法。本發(fā)明構(gòu)造一個(gè)多渦卷混沌系統(tǒng)，并有效地將系統(tǒng)的橫縱卷數(shù)與Arnold貓映射中的控制參數(shù)結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了一個(gè)具有動(dòng)態(tài)效果的圖像加密方法，具有很高的安全性能，為信息安全、保密通信、計(jì)算機(jī)圖像加密等領(lǐng)域做出了理論指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：

一種基于多渦卷混沌系統(tǒng)的圖像加密方法，包括以下步驟：

S1、構(gòu)造基于Chua’s系統(tǒng)的多渦卷混沌系統(tǒng)；

S2、設(shè)置混沌秘鑰參數(shù)，產(chǎn)生一個(gè)新的多渦卷混沌系統(tǒng)；

S3、結(jié)合Arnold映射方法對(duì)明文進(jìn)行像素點(diǎn)的置亂；

S4、基于新的多渦卷混沌系統(tǒng)設(shè)計(jì)隨機(jī)擴(kuò)散方法。

進(jìn)一步地，所述步驟S1中構(gòu)造的多渦卷混沌系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中，a、b分別表示多渦卷混沌系統(tǒng)參數(shù)，x、y、z分別表示多渦卷混沌系統(tǒng)狀態(tài)變量；h(x)為一個(gè)非線性控制器，控制系統(tǒng)在水平方向上產(chǎn)生的吸引子數(shù)量，如果產(chǎn)生偶數(shù)個(gè)吸引子，則可以被定義為：