基于二维离散小波变换和时空混沌的彩色图像无损加密方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及图像加密领域，特别涉及一种基于二维离散小波变换和时空混沌的彩 色图像无损加密方法。
【背景技术】
[0002] 现如今，大量的数字图像在计算机网络上便捷传播，如何保护图像信息，避免被非 法复制、伪造、篡改、非法访问等成为信息安全领域的一个关注热点。由于数字图像具有数 据量大、相邻像素相关性强等特点，传统的加密算法如DES、AES、RSA等用于图像加密时，普 遍存在着加密效率低、安全性弱等问题。研究发现，混沌系统本身具有的优良特性非常适 合用于信息加密，因此基于混沌理论的数字图像加密技术引起了人们的广泛关注和深入研 究。
[0003] 现有的许多图像加密算法都是基于空间域进行的，即直接对图像像素进行加密处 理。这类方法偏重于破坏相邻像素的相关性，但使得密文图像不可压缩。由于图像数据量 普遍非常庞大，在存储和传输过程中通常要对图像进行正交变换后作编码处理。因此，人们 考虑在进行编码处理的过程中进行加密操作，如在离散余弦变换（DCT)域、离散小波变换 (DWT)域、傅里叶变换（FT)域上加密等。需要注意的是，基于DCT域或FT域的数字图像加 密方法无法完全消除块边界的关联性，这往往会产生人为的块效应问题，从而影响算法图 像解密效果。而基于DWT域的数字图像加密方法将图像作为一个整体进行加密，不涉及图 像分块，从而避免了出现块效应问题。此外，DWT还具有以下优点：具有内在的伸缩比例和 较好的辨识性；同时在时间域和空间频率域上具有良好的定位；比DCT具有更高的灵活性 等。因此，在DWT域上对数字图像加密具有重要的理论意义和应用价值。
[0004] 现有的基于DWT域的数字图像加密方法主要针对灰度图像。彩色图像比灰度图像 包含的信息量更丰富，数据格式和表示更为复杂。因此，针对灰度图像的加密方法并不能直 接推广应用于彩色图像的加密。此外，这些算法还存在着安全性弱、感知退化、信息丢失等 问题。在一些特殊应用行业，如医学、生物基因、军事等，严格要求加、解密图像必须完全相 同。因此，有必要研究基于DWT域的彩色图像无损加密方法。
【发明内容】
[0005] 为克服现有的基于DWT域的图像加密算法的缺陷，本发明提出一种利用二维离散 小波变换和时空混沌的彩色图像无损加密算法，该算法安全性高，加密效果好，能够有效抵 抗统计攻击、已知和选择明文攻击、选择密文攻击等。
[0006] 按照本发明所提供的设计方案，一种基于二维离散小波变换和时空混沌的彩色图 像无损加密方法，包含如下步骤：
[0007] 步骤1.输入大小为WXH的彩色明文图像Itl，分离图像^的R、G、B三基色分量， 得到大小为WXH的分量矩阵IR、IGjP IB。；
[0008] 步骤2.利用外部密钥Key，并根据明文图像Itl，产生单向耦合映像格子的系统参 数和初始值，对时空混沌系统进行迭代运算得到密钥流1和K 2;
[0009] 步骤3.对分量矩阵1&、IGjP IB ^分别进行二维离散小波变换，得到大小为mXη 的子带组：{LL11，LHll, HLll, ΗΗ11}、{LL21, LH21, HL21, ΗΗ21}和{LL31, LH31, HL31, ΗΗ31}， 每子带组包含低频子带LL、低高频子带LH、高低频子带HL、高频子带HH，其中，m、η均为自 然数；
[0010] 步骤4.利用步骤2中得到的密钥流心，对步骤3中的子带元素 LL11、LH11、HH11、 LL21、LH21、HH21、LL31、LH31、HH31分别进行置乱处理，得到置乱后的子带元素 LLir、 LHl广、ΗΗ1Γ、LL2P、LH2P、ΗΗ2Γ、LL3P、LH3P、HH3广；
[0011] 步骤 5.将子带元素 LLll '、LHll '、HL11、LL21 '、LH21 '、HL21、LL31 '、 LH31 '、HL31的大小分别缩小mn倍，得到子带元素 ZZTI、LHW、HLil、 LLlX 、 LHll 、 HLll、Hfl、LH3\ 、 HL31 ；
[0012] 步骤6.对子带组 (LL11,xm \,HLll,HHl Γ}、{LL2\,LH2\,HL21HH2Y} m 丨ZZ3U//31,//131,////3 分别进行二维离散小波逆变换，得到小波加密图像1:及 IIV IGi、IB1，其中，IRp叫和IB汾别为I亦R、G、B基色分量矩阵；
[0013] 步骤7.利用步骤2得到的密钥流K2，对步骤6中得到的小波加密图像I1的像素 进行扩散处理，得到密文图像C。
[0014] 所述步骤2中对时空混沌系统进行迭代运算得到密钥流&和K 2，具体包含如下步 骤：
[0015] 步骤2. L设定外部密钥Key长度为320位，并均分40 ±夬，即Key = B1B2B3-B40, 根据单向稱合映像格子\=(丨-")[丨-+ 丨）-&·<(/+ 1.)]/2，其中，系 统参数a和ε为正的实数，且a e (〇，1)，ε e (〇, 2)，及明文图像I。的分量矩阵IR。、IGtl 和IBci，计算得到系统参数a和ε以及初始值Xk(O) (k=l，2，···，6);
[0016] 步骤2. 2.利用步骤2. 1得到的系统参数a和ε以及初始值Xk(O) (k=l，2,…，6)， 迭代单向耦合映像格子t+WH次，其中，（t彡2000)，并抛弃前个值，得到6组长度为 /二+ L3"4j的实值混沛序列Xk;
[0017] 步骤2. 3.对步骤2. 2中得到的实值混沌序列Xk按照公式：X' k(i) = l〇eXXk(i )-round (10θ XXk (i))，做优化改进，其中，（i = 1，2,…，I)，函数round (X)为返回离x最近 的整数，Θ为正整数且Θ e [4, 14];
[0018] 步骤2. 4.对序列Γ k按照如下公式：
[0019] A1 = {([^/8 J +1), ([^/8 J + 2),··； X12 {\_ΨΗβ\ + mn)} ,
[0020] λ2 ={Ζ;1·/12」+ 1)，Ζ5'1·/12」+ 2)，.··，Ζ5?Π //12」+ "?")} ，
[0021] ^ = {Z;(L 勝/16」+ 1)，ζ;([·/16」+ 2)，…,X(L紐/16」+ m?)} ，
[0022]
[0023] #2={X(1)，X:(2)，".,X(L_2」)，Z;(L_2」+ 1)，X;(L_2」+2)，.",Z;(_}，
[0024]
[0025] 到序列 λ p λ 2，λ 3和 μ p μ 2和 μ 3。
[0026] 步骤2. 5.对序列λ ρ λ 2和λ 3按升序排序，并将原序列中各元素所在的位置序号 取代重排序列中的对应元素，得到由位置序号组成的序列AP 1, λΡ^Ρ λΡ3，并记作!^。，1) =λΡ^:)，^:，〗）=λΡ2(:)和^:。）= λΡ3(:)，得到密钥流 K1;
[0027] 步骤2. 6.对序列μ i，μ 2和μ 3按降序排序，并将原序列中各元素所在的位置序 号取代重排序列中的对应元素，得到由位置序号组成的序列UP 1, μΡ^Ρ μρ3，将这三个 序列分别转换成大小为WXH的三个矩阵，将矩阵中