[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

本發明公開了一種基于空間擴散結構的并行圖像加密系統，通過會話密鑰生成模塊對添加了真隨機數的明文圖像進行計算生成會話密鑰；密鑰序列生成模塊生成密鑰序列，并結合轉置模塊對密鑰序列進行轉置得到密鑰矩陣；通過初始向量生成模塊生成擴散操作所需的初始化向量，通過空間擴散加密模塊進行兩輪逐行擴散加密和兩輪逐列擴散加密，形成加密圖形。本發明提供了一種基于空間擴散結構的并行圖像加密系統及方法，確保數據被高強度加密的同時具有很高的運行效率。

技術領域

本發明涉及圖像處理領域，具體涉及一種基于空間擴散結構的并行圖像加密方法。

背景技術

近年來，伴隨著云計算、物聯網和人工智能等新一代信息技術的廣泛應用，數字圖像正日益成為當今最重要的信息載體之一，圖像數據的保密安全通信已成為業界重點關注領域。AES和3DES等傳統的分組加密算法針對文本數據進行設計，很難高效地處理強內在相關、高冗余度的圖像數據，日益凸顯的信息安全問題促使研究人員提出了很多針對圖像特點的加密算法。

混沌系統尤其是超混沌系統具有復雜的動力學特性，其初始極端敏感性、內在隨機性和遍歷性等基本特性天然的與密碼學關聯，混沌密碼學的發展催生了一批優秀的圖像加密算法。混沌加密方案普遍采用置亂-替換結構，首先通過像素的全局位置打亂，破壞相鄰像素之間的相關性，然后將像素展開成一維序列，利用密鑰序列進行加密完成像素的替換，徹底混淆密文圖像與明文圖像之間的關系。然而，像素替換操作中嚴重依賴密文分組鏈接模式實現信息在密文圖像上的擴散，逐像素的串行處理方式嚴重制約了現有混沌圖像加密算法的運行效率。

為了克服串行加密的固有缺陷，先后涌現了一些提升運行效率的設計方案。通過舍棄圖像頻域的高頻分量，能夠減少加密數據量，但是不適于處理高清圖像和醫學影像等數據。圖像分塊處理，DNA編碼加密，GPU并行計算等并行化方案的提出為數字圖像的高效無損加密提供了新的思路，但是其內在的加密模式仍然為串行，擴散不充分也導致明文敏感性有所減弱，且運行效率較低。

發明內容

發明目的：本發明為了解決現有技術的不足，提供了一種基于空間擴散結構的并行圖像加密系統及方法，確保數據被高強度加密的同時具有很高的運行效率。

本發明采用的技術方案：一種基于空間擴散結構的并行圖像加密系統，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。

一種基于空間擴散結構的并行圖像加密方法，包括如下步驟：

S1、塊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；

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；

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；