[發(fā)明專利]基于相鄰像素約瑟夫變換和Mealy狀態(tài)機的圖像加密方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011524802.4
• 申請日: 2020-12-22
• 公開（公告）號: CN112769545B
• 公開（公告）日: 2022-01-28
• 發(fā)明（設計）人: 張勛才;李林偉;劉鵬;牛瑩;岳偉超;王鳳仙;任杭麗;王延峰;楊飛飛;張曲遙;張峰升;張建偉
• 申請（專利權(quán)）人: 鄭州輕工業(yè)大學
• 主分類號: H04L9/00
• 分類號: H04L9/00;H04L9/06;H04L9/08
• 代理公司: 鄭州優(yōu)盾知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 41125
• 代理人: 栗改

本發(fā)明提出了一種基于相鄰像素約瑟夫變換和Mealy狀態(tài)機的圖像加密方法，其步驟如下：將大小為M*N的灰度圖像轉(zhuǎn)換成二維矩陣；計算灰度圖像哈希值和像素值的平均值，分別計算混沌映射的初始值；根據(jù)希爾伯特曲線的掃描路線，進行像素級置換得到像素序列；2D?LSCM混沌映射進行迭代并處理得到兩個序列，以兩個序列為起點和步長利用約瑟夫遍歷進行相鄰像素點間比特置亂得到像素序列；對Lorenz混沌映射進行迭代并處理得到3個序列，根據(jù)DNA編碼轉(zhuǎn)換為DNA序列；利用Mealy狀態(tài)轉(zhuǎn)換機得到新的DNA序列；將DNA序列轉(zhuǎn)換為二進制序列，得到密文圖像。本發(fā)明對密鑰的敏感性強，能有效抵抗統(tǒng)計攻擊和差分攻擊等，具有很好的安全性和應用潛力。

技術(shù)領域

本發(fā)明涉及數(shù)字圖像加密的技術(shù)領域，尤其涉及一種基于相鄰像素約瑟夫變換和Mealy狀態(tài)機的圖像加密方法。

背景技術(shù)

作為信息的重要載體，圖像以其直觀優(yōu)勢成為人們傳遞信息的主要載體之一。然而，互聯(lián)網(wǎng)的開放和共享給圖像傳輸?shù)陌踩詭砹司薮蟮奶魬?zhàn)。數(shù)字圖像加密技術(shù)是有效保護數(shù)字圖像傳輸?shù)闹匾侄危虼耍瑘D像加密已成為計算機領域的一個熱門研究方向。

由于圖像冗余度高、數(shù)據(jù)容量大、信息相關性強，早期的圖像加密方法，如DES、AES、RSA等，已不能滿足當前圖像加密的要求。近年來，學者們提出了一些好的圖像加密算法，有基于混沌理論的加密方案、基于DNA計算的加密方案等。其中，混沌系統(tǒng)因具有良好的偽隨機特性、對初值的敏感性和軌道的不可預測性，使得基于混沌的圖像加密得到了廣泛地研究，取得了良好的效果。

目前混沌映射可分為兩類：一維混沌映射和多維混沌映射。一維混沌系統(tǒng)具有參數(shù)與變量少、結(jié)構(gòu)簡單、而且產(chǎn)生的混沌序列時間短等優(yōu)點，從而廣泛的應用于圖像加密中。例如，Li等提出了一種基于混沌帳篷映射的圖像加密算法，Wang等人提出了一種基于Logistic映射的快速圖像加密算法，然而，這些加密算法的密鑰空間小，不能有效地抵御蠻力攻擊。相比之下，多維混沌映射特別是超混沌映射，變量和參數(shù)較多，動態(tài)特性更加復雜，密鑰空間更大，因此，使用多維混沌映射是一種更加優(yōu)異的理想圖像加密方案。Zhang等人提出了一種基于新型多維多翼超混沌吸引子的圖像加密算法，該系統(tǒng)具有兩個大于零的Lyapunov指數(shù)，它們可以在不同參數(shù)下生成超混沌吸引子。盡管多維混沌映射在圖像加密中取得了較好的效果，但是仍然存在一些不足。比如文獻[G.Guan,C.Wu,Q.Jia Animproved high performance Lorenz system and its application Acta Phys.Sin.,64(2)(2015),pp.35-48]中，Gao等人提出了一種使用像素級置換的基于超混沌的圖像加密算法，盡管該算法具有密鑰空間大的優(yōu)點，但不能有效抵抗選擇明文和密文攻擊。特別地，當原始圖像是具有相同像素的特殊圖像時，整個加密系統(tǒng)的安全性僅取決于擴散操作。一旦破解了用于擴散的密鑰流，攻擊者就可以輕松獲得原始圖像的統(tǒng)計信息。

然而，對于混沌序列的使用，受計算機字長的限制，會導致混沌的動力學特性退化，特別是低維混沌系統(tǒng)。這嚴重影響了混沌加密的安全性。為此，許多學者使用超混沌系統(tǒng)來確保混沌序列的復雜性，以提高算法的安全性。但是，不可否認的是，單一的混沌映射構(gòu)成的加密算法無法保證所加密的圖像具有較高安全性。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有圖像加密方法安全性差，不能有效抵抗攻擊的技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種基于相鄰像素約瑟夫變換和Mealy狀態(tài)機的圖像加密方法，將約瑟夫遍歷、Mealy狀態(tài)機與混沌序列結(jié)合，通過將混沌序列與約瑟夫遍歷結(jié)合實現(xiàn)位級置換；混沌序列與DNA編碼技術(shù)、Mealy狀態(tài)機結(jié)合實現(xiàn)像素的擴散，保證了擴散效果，減少了迭代次數(shù)，且抗選擇明文(密文)攻擊更強，明文敏感性更好。

為了達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：一種基于相鄰像素約瑟夫變換和Mealy狀態(tài)機的圖像加密方法，其步驟如下：

步驟一：將大小為M*N的原始的灰度圖像P轉(zhuǎn)換成二維矩陣P₁；