[發明專利]一種基于拉丁方的混沌圖像加密方法

有效

• 申請號: 202110551860.4
• 申請日: 2021-05-20
• 公開（公告）號: CN113300827B
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 張勛才;牛瑩;李輝;陳志武;馬江濤;吳濤;王延峰;李林偉;張煥龍;張建偉;任航麗;栗三一;楊飛飛
• 申請（專利權）人: 鄭州輕工業大學
• 主分類號: H04L9/00
• 分類號: H04L9/00;H04N1/44
• 代理公司: 鄭州優盾知識產權代理有限公司 41125
• 代理人: 栗改

本發明提出了一種基于拉丁方的混沌圖像加密方法，其步驟為：利用原始圖像矩陣生成密鑰，將密鑰輸入超混沌Lorenz系統進行得到混沌序列；截取混沌序列轉換為矩陣對原始圖像矩陣進行置亂；截取混沌序列生成拉丁方陣作為查找表；截取混沌序列并組成索引矩陣，利用索引矩陣從查找表中的對應坐標選取元素進行替換得到像素替換矩陣；截取混沌序列并生成拉丁方矩陣，將像素替換矩陣的位平面組成比特矩陣，利用拉丁方矩陣對比特矩陣進行比特置亂并組合為位平面矩陣，轉換為十進制得到密文圖像。本發明所用拉丁方陣均由混沌序列產生，增強了復雜度，提升了安全性；有效地提高了隨機性、靈敏性，能夠有效的抵抗差分攻擊，增加了破譯難度，適合實際應用。

技術領域

本發明涉及圖像加密的技術領域，尤其涉及一種基于拉丁方的混沌圖像加密方法。

背景技術

隨著現代通信技術的迅速發展，越來越多的數字圖像在社交網絡上傳輸，這些圖像攜帶有個人信息，因此如何保護這些私人信息成為了人們的研究熱點。由于圖像相鄰像素之間具有強相關性和高冗余度等一些固有的特性，一些傳統的加密方法如數據加密標準(DES)或高級加密標準(AES)等并不適用于對數字圖像進行加密，因為傳統的加密算法對數字圖像進行加密時存在效率低的缺點。

當前提出的圖像加密方法中，基于混沌的算法得到了廣泛的應用。混沌系統的一些特性非常契合圖像加密算法的開發，例如對初始條件的敏感性，不可預測性和遍歷性。王興元提出了基于一維混沌系統的圖像加密方法，改善了控制參數的結構以及一維混沌系統的敏感性，提高其抵抗差異攻擊的能力。周怡聰結合了兩個現有的一維混沌系統，提出了一種具有更大混沌范圍的一維混沌系統，提升了抵抗各種攻擊的性能。然而一維混沌系統的一些固有缺陷，如結構相對簡單，密鑰空間較小等固有缺點難以消除。相比之下，高維混沌系統具有更復雜的動力學行為和高遍歷性，因此人們提出了多種基于高維混沌系統的圖像加密算法。H.Gan Z提出一種基于高維混沌的三維位平面排列的彩色圖像加密算法，能夠有效抵抗已知明文攻擊和選擇明文攻擊。Wei Zhang等提出了一種新的3D位矩陣置換算法，該加密方法基于Chen系統開發了一種新的置換方式，提升了置亂過程的隨機性。但該加密方法易受所選明文的影響攻擊，不適用于安全通信。而且基于高維混沌的圖像加密算法往往通過獲取混沌序列的索引向量對圖像的像素進行置亂，這些置亂方法的安全性僅僅取決于索引向量，攻擊者可能通過分析密文圖像與明文圖像之間的關系來獲得索引向量，從而導致置亂的操作無效。除了基于混沌的圖像加密算法外，還有其它類型的圖像加密算法，例如基于DNA的圖像加密算法，S Som等提出了一種基于DNA編碼和混沌系統的彩色圖像加密技術，并使用廣義的Arnold變換對像素位置進行置亂，但是利用Arnold變換存在迭代時間有限等缺陷。Wu X J等提出了一種基于DNA彩色圖像加密算法，通過明文彩色圖像中紅色、綠色和藍色成分的信息熵分別生成DNA編碼規則。這種編碼規則與明文圖像有關，但是由于所有圖像像素都具有相同的編碼規則，因此隨機性不足。基于遺傳算法的圖像加密技術有效的提高了密文圖像的安全性，A.H.Abdullah等提出了一種基于遺傳算法的優化方法，使用明文圖像和混沌函數構造了許多加密圖像，然后將這些加密的圖像用作遺傳算法的初始種群；在遺傳算法的每個階段，將前一次迭代獲得的結果進行優化以生成最優的密文圖像，從而獲得具有最高香農熵和最低相關系數的密文圖像。然而這種方法包括其他一些基于遺傳的算法，在迭代過程中需要耗費大量時間。

近年來，由于拉丁方在加密方法中的良好表現受到了研究人員的廣泛關注，拉丁方是一種具有均勻性的特殊方陣，香農首先指出了拉丁方和密碼學之間的關系。拉丁方具有一些非常適合用于圖像加密的良好特征：拉丁方的數量巨大，第10階的拉丁方數約為1037，因此其密鑰空間很大，可以防止暴力攻擊；拉丁方具有統一的直方圖，這意味著將拉丁方用于圖像加密可以有效抵抗統計分析；而且拉丁方具有矩陣形式，與圖像數據重合。鑒于拉丁方的良好特性，Y.Wu等提出了一種對稱加密算法，設計了一種新的類似織機的2D置亂-置換網絡，該網絡在保持良好的混淆和擴散特性的同時，還具有額外的容錯能力。H.T.Panduranga利用混沌系統和拉丁方構造圖像加密算法，后來被M.Ahmad等人破解。

發明內容