[發(fā)明專利]一種高效的批量彩色圖像加/解密方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010816309.3
• 申請(qǐng)日: 2020-08-14
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112737763B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-05-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王曉峰;李斌;王妍;雷錦錦;張旋
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H04L9/00
• 分類號(hào): H04L9/00;H04L9/06;H04L9/08;H04N1/44
• 代理公司: 西安弘理專利事務(wù)所 61214
• 代理人: 韓玙

1.一種高效的批量彩色圖像加/解密方法，其特征在于，具體按照以下步驟實(shí)施：

步驟1、利用堆疊算法將多個(gè)彩色明文圖像進(jìn)行堆疊，生成堆疊圖像；具體如下：

步驟1.1、假設(shè)有N張大小為m_i×n_i的彩色圖像T′_i，i＝1,2,L,N，令m＝max(m₁,m₂,Λ,m_N),n＝max(n₁,n₂,Λ,n_N)；m和n分別表示堆疊圖像的高度和寬度，如果彩色明文圖像的大小不等于m×n，則在彩色明文圖像的右側(cè)和底部填充0，得到大小為m×n的填充圖像，通過(guò)這種方式使所有的圖像尺寸均相同，將填充后的圖像分別表示為T₁,T₂,L,T_N；

步驟1.2、設(shè)T₀表示堆疊圖像，每一個(gè)圖像T_i對(duì)應(yīng)的矩陣記為M_Ti，i＝1,2,Λ,N，堆疊圖像的矩陣記為堆疊算法定義如下：

令

其中，表示第i個(gè)填充圖像的第s行第t列處的像素值，通過(guò)公式(2)，得到大小為m×n的堆疊圖像T₀；

步驟1.3、為實(shí)現(xiàn)在解密時(shí)將堆疊圖像分離恢復(fù)成原始的彩色明文圖像，需要記錄每個(gè)彩色明文圖像在堆疊圖中所占的權(quán)重，將權(quán)重矩陣記為Q_i，權(quán)重矩陣的定義如下：

Q_i記錄每一個(gè)彩色明文圖像在堆疊圖像中所占的權(quán)重，解密后得到的圖像是一個(gè)堆疊圖像，矩陣Q_i用于從堆疊圖像中分離出N個(gè)彩色明文圖像，最后得到解密的彩色明文圖像；

步驟2、利用Hash函數(shù)SHA-256生成初始密鑰，初始密鑰用于選擇DNA編碼規(guī)則并作為分段線性混沌映射PWLCM的初始參數(shù)和控制參數(shù)，指定任意圖像作為SHA-256的輸入；具體如下：

步驟2.1、隨機(jī)挑選一個(gè)明文圖像作為密鑰圖像記為T₁，令W＝SHA-256(T₁)，W表示哈希函數(shù)SHA-256生成的一個(gè)長(zhǎng)為256位的宇符串，將W平均分為32段生成初始密鑰的4個(gè)分量：

W＝w₁||w₂||Λ||w₃₂ (5)

通過(guò)式(6)-(9)得到初始密鑰，其中包含初值x₀、y₀和控制參數(shù)p₁，p₂，

floor(·)表示下取整函數(shù)，表示二進(jìn)制數(shù)的按位異或運(yùn)算；

步驟2.2、生成兩個(gè)偽隨機(jī)序列A_4mn和D_mn，A_4mn用于置亂DNA編碼后的堆疊圖像，D_mn用于DNA運(yùn)算，

分段線性混沌映射PWLCM的定義具體如下：

其中，0＜x_i＜1，0＜p＜0.5為控制參數(shù)，F(xiàn)_p(x_i)表示第i次的迭代結(jié)果，當(dāng)0.5＜x_i＜1時(shí)，令x_i＝1-x_i重新進(jìn)行迭代，x₀和p取不同的值時(shí)得到不同的混沌序列，使用兩組控制參數(shù)x₀,p₁和y₀,p₂生成步驟2中兩組不同的隨機(jī)序列，其中，x₀,p₁生成長(zhǎng)度為4mn的混沌序列A_4mn，y₀,p₂生成長(zhǎng)度為mn的混沌序列D_mn；

利用初始值x₀和控制參數(shù)p₁輸入到公式(5)作為分段線性混沌映射PWLCM系統(tǒng)的迭代初值，迭代次數(shù)為4×m×n，得到長(zhǎng)度為4×m×n的混沌序列A_4mn，A_4mn即為第一加密密鑰；

利用初始值y₀和控制參數(shù)p₂輸入到公式(5)作為分段線性混沌映射PWLCM系統(tǒng)的迭代初值，迭代分段線性混沌映射PWLCM系統(tǒng)m×n次，得到長(zhǎng)度為m×n的混沌序列D_mn＝(d₁,d₂,L,d_m×n)，D_mn即為第二加密密鑰；

步驟3、對(duì)步驟1得到堆疊圖像和步驟2分段線性混沌映射PWLCM得到的混沌序列進(jìn)行DNA編碼，得到兩個(gè)編碼后的DNA陣列；具體如下：

步驟3.1、將D_mn中的值映射到0-255內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)D_mn中的所有元素d_i進(jìn)行DNA編碼，i＝1,2,Λ,m×n，映射過(guò)程用公式(11)實(shí)現(xiàn)：

d′_i＝mod(floor(d_i×10¹⁵),256),i＝1,2,L,mn (11)

floor(·)表示下取整函數(shù)，d′_i表示d_i映射后的值，將所有的d′_i進(jìn)行重新排列得到大小為m×n的矩陣D′，排列過(guò)程用公式(12)實(shí)現(xiàn)：

步驟3.2、利用初始參數(shù)選擇DNA編碼規(guī)則，以增加隨機(jī)性和減少人工干預(yù)：

g₁＝mod(floor(x₀×10²⁰),8)+1 (13)

g₂＝mod(floor(y₀×10²⁰),8)+1 (14)

floor(·)表示下取整函數(shù)，mod(·)表示取模運(yùn)算；g₁和g₂表示取模運(yùn)算后得到的結(jié)果，g₁和g₂取值為1到8之間的整數(shù)，與以下8種DNA編碼規(guī)則對(duì)應(yīng)，8種DNA編碼規(guī)則定義如下：

規(guī)則1：A表示00，C表示01，G表示10，T表示11；

規(guī)則2：A表示00，C表示11，G表示01，T表示11；

規(guī)則3：A表示01，C表示00，G表示11，T表示10；

規(guī)則4：A表示01，C表示11，G表示00，T表示10；

規(guī)則5：A表示10，C表示11，G表示00，T表示01；

規(guī)則6：A表示10，C表示00，G表示11，T表示01；

規(guī)則7：A表示11，C表示01，G表示10，T表示00；

規(guī)則8：A表示11，C表示10，G表示01，T表示00；

根據(jù)g₁對(duì)應(yīng)的編碼規(guī)則號(hào)，選取第g₁個(gè)編碼規(guī)則對(duì)堆疊圖像T₀進(jìn)行編碼，將編碼后的矩陣記為T_Z，同時(shí)根據(jù)g₂對(duì)應(yīng)的編碼規(guī)則號(hào)，選擇第g₂個(gè)DNA編碼規(guī)則對(duì)D′進(jìn)行編碼，得到大小為m×4n的DNA陣列M_C；經(jīng)過(guò)DNA編碼后，所有的十進(jìn)制像素值均表示為A，C，G，T四種堿基的形式，即假設(shè)如果圖像中某一點(diǎn)的像素值為40，其二進(jìn)制值為“00 10 10 00”，則根據(jù)DNA編碼規(guī)則1，A表示00，C表示01，G表示10，T表示11，將40編碼成DNA序列為“AGGA”；

步驟4、對(duì)步驟1中得到的堆疊圖像進(jìn)行加密處理：第一階段，使用分段線性混沌映射PWLCM得到的加密密鑰置亂步驟3中堆疊圖像對(duì)應(yīng)的DNA陣列；第二階段，使用步驟3中的混沌序列生成的DNA陣列對(duì)第一階段置亂后的DNA陣列進(jìn)行DNA運(yùn)算，以使像素分布更均勻，最終得到密文圖像；具體如下：

步驟4.1、先對(duì)經(jīng)步驟3編碼后的矩陣T_Z進(jìn)行轉(zhuǎn)置，將轉(zhuǎn)置后的矩陣記為T_D，如式(15)所示：

T_D＝(T_Z)' (15)

使用公式(16)將T_D轉(zhuǎn)換為一維序列：

R₁＝(c_1,1,c_1,2,L,c_1,m,c_2,1,c_2,2,L,c_2,m,L,c_4n,1,c_4n,2,L,c_4n,m)

R₁是將陣列T_D按照式(16)轉(zhuǎn)換成的一維序列；

按從小到大的順序?qū)π蛄蠥_4mn進(jìn)行排序，得到一個(gè)有序的序列A′和其對(duì)應(yīng)的索引序列S_y，如式(17)所示：

(A′,S_y)＝sort(A_4mn) (17)

sort(·)表示從小到大的排序函數(shù)，利用索引序列S_y對(duì)序列R₁進(jìn)行置亂，置亂規(guī)則如式(18)所示，生成的新序列記為R₂：

R₂(j)＝R₁(S_y(j)),j＝1,2,L,4×m×n (18)

R₂(j)表示序列R₂中的第j個(gè)元素；

步驟4.2、按公式(19)對(duì)R₂進(jìn)行重排列，得到大小為m×4n的矩陣T_s：

步驟4.3、使用公式(20)對(duì)T_s進(jìn)行DNA運(yùn)算，得到最終的DNA矩陣T_e：

步驟4.4、按照公式(21)選擇第g₃個(gè)DNA解碼規(guī)則對(duì)T_e進(jìn)行解碼，

g₃＝mod(floor(p₁×10²⁰),8)+1 (21)；

以使DNA矩陣T_e可視化，得到大小為m×n的密文圖像T_G；

步驟5、對(duì)步驟4得到的密文圖像進(jìn)行解密：先對(duì)密文圖像進(jìn)行解密得到堆疊圖像；然后對(duì)堆疊圖像進(jìn)行分離恢復(fù)明文圖像。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高效的批量彩色圖像加/解密方法，其特征在于，所述步驟5具體如下：

步驟5.1、對(duì)密文圖像T_G進(jìn)行解密：

利用分段線性混沌映射PWLCM生成與加密時(shí)相同的混沌序列，按照加密過(guò)程的逆運(yùn)算，得到堆疊的明文圖像T_d；

步驟5.2、對(duì)堆疊圖像進(jìn)行分離恢復(fù)明文圖像

令

s＝1,2,Λ,m；t＝1,2,Λ,n

利用步驟1.3中計(jì)算得到的每幅圖像的權(quán)重矩陣Q_i分離堆疊的圖像，具體描述如下，

令

表示第i個(gè)權(quán)重矩陣中的第s行第t列的像素值，使用式(23)得到N張大小相同的圖像，裁剪掉填充的0元素，獲得N個(gè)恢復(fù)的彩色明文圖像，如式(24)所示：

T′_i表示對(duì)步驟5中的密文圖像T_G進(jìn)行解密后得到的N個(gè)解密后的彩色圖像，解密圖像與步驟1中進(jìn)行堆疊的N個(gè)彩色明文圖像一一對(duì)應(yīng)。