[發明專利]一種基于空間擴散結構的并行圖像加密系統及方法

有效

• 申請號: 202010438548.X
• 申請日: 2020-05-21
• 公開（公告）號: CN111597574B
• 公開（公告）日: 2021-03-23
• 發明（設計）人: 葛濱;許秀林;廖忠智
• 申請（專利權）人: 南通職業大學
• 主分類號: G06F21/60
• 分類號: G06F21/60
• 代理公司: 南通物格知識產權代理事務所(普通合伙) 32395
• 代理人: 顧森燕

1.一種基于空間擴散結構的并行圖像加密系統的加密方法，其特征在于該并行圖像加密系統包括：

會話密鑰生成模塊，對添加了真隨機數的明文圖像進行散列函數計算，生成會話密鑰，同時對散列值進行量化產生混沌系統所需的初始值參數和預迭代次數；

密鑰序列生成模塊，基于超混沌系統結合初始值參數和預迭代次數生成密鑰序列，并結合轉置模塊對密鑰序列進行轉置得到密鑰矩陣；

初始化向量生成模塊，通過量化logistic生成的原始混沌序列來生成初始化向量；

空間擴散加密模塊，包括初始向量更新模塊、行并行加密模塊、列并列加密模塊，其中初始向量更新模塊在每一輪擴散前更新加密所需的初始化向量，行并行加密模塊通過密文分組鏈接模式結合當前初始化向量及密鑰矩陣對明文圖像進行兩輪逐行加密處理，列并列加密模塊通過密文分組鏈接模式結合當前初始化向量及密鑰矩陣對明文圖像進行兩輪逐列加密處理；

具體的加密步驟包括：

S1、對添加了真隨機數的明文圖像進行散列函數計算產生散列值，并對散列值進行量化，產生混沌系統迭代所需的初始值參數和預迭代次數；

S11、將尺寸為M×N的灰度明文圖像P轉換為長度M×N的一維序列S₀；

S12、通過程序接口從Random.org網站獲取一個真隨機數Strn∈[0，255]；

S13、將StrnStrn和S₀進行拼接，即S₁＝[S₀，Strn]，利用SHA-256算法計算散列值，得SK＝Hash[S₁，‘SHA-256’]，SK即為長度256比特的會話密鑰；

混沌系統迭代所需的初始值參數和預迭代次數通過hex2dec函數運算得到，其中初始值參數運算公式為：x_i(1)＝hex2dec(SK(i×12+1：i×12+12))×2^-48，i∈{0，1，2，3，4}；

超混沌預迭代次數運算公式為：h1＝hex2dec(SK(61∶62))；

混沌預迭代次數運算公式為：h2＝hex2dec(SK(63∶64))；

S2、基于超混沌系統結合步驟S1產生的初始值參數和預迭代次數生成一維密鑰序列，對一維密鑰序列進行轉置得到二維密鑰矩陣；

S21、建立超混沌系統方程為：

其中a，b，c，d，e和f為系統的控制參數，系統在a＝10，b＝5，c＝2，d＝-16，e＝1.5，f＝-50時具有兩個正的Lyapunov指數；

S22、通過初始值運算公式計算超混沌系統的四個初始值{x₁(1)，x₂(1)，x₃(1)，x₄(1)}，輸入超混沌系統進行預迭代h1次，得到一組新的狀態值{x₁，x₂，x₃，x₄}；

S23、初始化一個空序列K，B；

S24、將狀態值{x₁，x₂，x₃，x₄}放入序列B，按照規則對序列B進行改造，其改造規則為：

S25、將序列K₁，K₂加入序列K，即序列K＝{K，K₁，K₂}，清空B，K₁和K₂序列；

S26、重復次執行步驟S24和S25，生成一個長度為MN+8的一維密鑰序列K(1，1:M)；

S27、將一維密鑰序列K(1，1:M)轉職成二維密鑰矩陣K(M，N)；

S3、通過logistic映射結合預迭代次數生成第一輪擴散所需的初始化向量；

S31、通過初始值運算公式計算得到初始值x₅(1)，并將該初始值輸入logistic映射x_n+1＝4x_n(1-x_n)中，進行預迭代h2次；

S32、使用logistic映射進行迭代運算生成長度為N的原始混沌序列x₀；

S33、通過公式IV＝mod(x₀×10¹⁵，256)生成第一輪擴散操作所需的行初始化向量；

S4、通過密文分組鏈接模式結合初始化向量及二維密鑰矩陣對明文圖像進行四輪擴散加密獲得加密圖像，其中第一輪和第二輪擴散加密為逐行擴散加密，第三輪和第四輪擴散加密為逐列擴散加密，且每輪擴散加密前更新此輪加密過程所需的初始化向量：

S41、第一輪逐行擴散加密，其初始化向量C1(0，：)＝IV，分別將密鑰矩陣的第i行與待加密的第i行灰度值和已加密的第i-1行灰度值相加后進行模256運算，產生的兩個中間結果進行比特異或，得到第i行的加密灰度值：

S42、第二輪逐行擴散加密，更新初始化向量C2(0，：)＝C1(M，：)，重復加密步驟：

S43、第三輪逐列擴散加密，其初始化向量C3(0，：)＝C2(：，N)，分別將密鑰矩陣的第j列與待加密的第j列灰度值和已加密的第j-1列灰度值相加后進行模256運算，產生的兩個中間結果進行比特異或，得到第j列的加密灰度值：

S44、第四輪逐列擴散加密，其初始化向量C3(0，：)＝C2(：，N)，重復加密步驟：