一种分块双层自适应扩散图像加密方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种图像处理方法，主要是图像加密方法。
【背景技术】
[0002] 随着网络技术的不断发展，数字图像以其直观、形象等特点成为信息传输的主要 载体，已广泛应用于国防、航天、军事、政治、经济等领域，但在图像存储、传输和使用过程中 存在一定的泄密隐患。因而寻求高效的数字图像加密技术具有重要的理论意义和工程应用 价值。目前，针对数字图像特点，各种基于矩阵变换/像素置乱的加密方法，基于现代密码 体制的加密方法、基于混沌系统的加密方法、基于神经网络的加密方法、基于DNA编码的加 密方法及多种加密技术结合的加密方法相继被提出并各具特色。然而，这些方法主要集中 在置乱、扩散两大过程的传统加密模式，而且未充分考虑明文、密钥敏感性和置乱随机性等 问题，难以抵抗选择明文攻击。
【发明内容】
[0003] 为了克服现有技术的不足，本发明提供一种分块双层自适应扩散图像加密方法。
[0004] 本发明的目的在于针对数字图像数据量大、冗余度高，现有图像加密方法对明文、 密钥的敏感性较低，难以抵御选择明文攻击等问题，提出一种分块双层自适应扩散图像加 密方法，加密效果好、安全性高，为数字图像的安全存储和传输提供保障。
[0005] 为实现上述目的，本发明技术方案的基本思想是：针对图像安全保障问题，在加密 过程中，首先利用Logistic映射、Tent映射和Sine映射，进行两两组合构建三种新一维混 沌映射系统，提取初始混沌序列；然后定义一个与明文图像矩阵大小相同的初始加密图像 矩阵，对其进行分块，预处理Arnold映射参数，正反向联合映射将明文图像矩阵中随机位 置像素值，存入初始加密矩阵随机块中的随机位置，同时与前一加密像素及混沌序列通过 一定方式作用替换该像素，并将当前加密块扰动混沌系统，更新初始密钥，形成块内像素、 块间自适应扩散，增加算法对明文及密钥的敏感性，直至填满初始加密矩阵，完成加密。
[0006] 本发明基于分块双层自适应扩散图像加密方法包括如下步骤：
[0007] 步骤1 :混沌系统构造
[0008] 新混沌系统是由两个不同的已有一维混沌映射作为种子映射构造的非线性混沌 系统，构造方程如下：
[0009] Xn+i = (F (a, X n) +G (b, Xn)) modi (I)
[0010] 其中F(a，Xn)、G(b，Xn)为种子映射，a，b分别为其控制参数；mod为取模操作，为 保证输出数据在区间（〇，1)内；η为迭代次数。
[0011] 本加密方法利用Logistic、Tent和Sine映射，两两组合作为种子映射，并按式（1) 构造出三种新一维混沌映射系统。动力学方程如下：
[0012] Logistic-Tent映射动力学方程：
[0013]
【主权项】
1. 一种分块双层自适应扩散图像加密方法，其特征在于包含下述步骤： 步骤1 :混沌系统构造 新混沌系统是由两个不同的已有一维混沌映射作为种子映射构造的非线性混沌系统， 构造方程如下： Xn+1= (F(a, Xn)+G(b, Xn))modl (I) 其中F (a，Xn)、G (b，Xn)为种子映射，a，b分别为其控制参数；mod为取模操作，为保证 输出数据在区间（0,1)内；η为迭代次数； 本加密方法利用Logistic、Tent和Sine映射，两两组合作为种子映射，并按式（1)构 造出三种新一维混沌映射系统；动力学方程如下： Logistic-Tent映射动力学方程：
Logistic-Sine映射动力学方程： xn+1 = (L ( μ，X n) +S ((4 - μ )，xn)) modi =(μ χη(1-χη)+ (4-μ ) sin ( π χη)/4)modi, μ e (0,4) (3) Tent-Sine映射动力学方程：
其中L，T，S分别表示Logistic、Tent、Sine映射；μ为系统控制参数，η为迭代次数； 与种子混沌映射相比，新一维混沌系统具有更为复杂的混沌特性，它在μ e (〇,4)时处于 混沌状态，可见，新一维混沌系统具有更宽混沌范围、更好混沌行为和混沌系统密度函数分 布较一致等优点； 步骤2 :定义初始加密矩阵 设明文图像为mXn的灰度图像I，初始加密矩阵E是元素全为1的mXn矩阵，并将其 划分成大小为tXt的矩阵子块，共有（m/t) X (n/t)个子块（其中t是m、n的公约数）； 步骤3 :混沌序列生成 Tx初女口τ??钥 Key1A [k 工，x1(|，x2。，X3。，y 1，y 2，P 3]，Xl。，X2。，X3。，P 1，P 2，P 3为别为公 式（2)、（3)和⑷中初始值和初始参数； 1) 公式⑷迭代k次，产生长度为k的混沌序列Ix' 3>j}，j = 1，2, ...，k，舍弃前Ic1 项，按公式（6)、（7)处理余项，得序列Ix3J，{y^}; y3> i= floor (xr3> j X 105-floor (xr3> j X IO5)) X 102mod8, (i = I, 2, . . . , p) (6) x3j i= floor (xr3, ！ X 106-floor (x' 3, ！ X IO6)) X 103modG，（i = 1，2, · · ·，p) (7) 其中p = t2, k = kjp，floor (.)表示向下取整，G为图像灰度级； 2) 分别迭代公式（2)、（3)，取序列{y3, J中前p-1项作为采样间隔，对迭代产生的混沌 序列从第匕+1项开始进行抽样，生成序列Ix' J和Ix' 2, J，并对其按照公式（8)、（9) 处理，生成序列（XuJ和{x2,i}; Xlj i= floor (xru j X 106-floor (xr ^iX IO6)) X 103mod G, (i = I, 2, . . . , p) (8) x2j i= floor (xr2, ！ X 106-floor (x' 2, ！ X IO6)) X 103mod G，（i = 1，2, · · ·，p) (9) 3)按照公式（10)、（11)、（12)处理Ix1J、Ix2J和Ix3J序列生成混沌序列Iz 1J、 {z2，i}和（Z3J
(10) (11) (12) 步骤4:分块双层自适应扩散 此步骤通过结合Arnold正反向映射，不仅可以使每个像素的访问顺序及每个位置的 存储顺序机会均等，增强置乱随机性，克服常规Arnold映射从规则到随机访问的缺陷，而 且在置乱过程中采用分块双层自适应非线性扩散，增加算法对密钥、明文的敏感性；其分块 双层自适应扩散实现步骤如下： 设密钥Key2S [k p k2, ...，k7, cj ;首先，对明文图像进行Arnold反向映射，利用公式 (13)获取明文图像矩阵中随机位置（X'，y')处的明文像素值I(x'，y');对初始加密 矩阵进行Arnold正向映射，利用公式（14)产生随机矩阵块位置（g'，h')，并对此随机矩 阵块进行Arnold正向映射，利用公式（15)产生此随机块中的随机位置（k'，Γ );
) ) 其中 P1= z 1(1) M1= n/gcd(m，n)，p 2= z 2(1)，q2= (n/t)/gcd(m/t，n/t)，p 3= z 3(1)， q3= t/gcd(t，t)； 1) 块内随机像素扩散 将随机像素I (V，太）按公式（16)、（17)进行如下像素替换、扩散处理，并存入大小 为tXt过渡矩阵块C的（k'，Γ )位置； 若 k' mod2 = 1，则，
其中c为前一个处理过的随机像素；当X = 1，y = 1时，c = Cci，直至填满矩阵块C ; 2) 随机矩阵块扩散 为达到较佳置乱和扩散效果，对已填满的过渡矩阵块C按公式（18)进行如下块扩散处 理，并存入加密矩阵E中（g'，V )处的随机块内；
(18) 其中C为前一个随机加密矩阵块；当g=l，h=l时，C' = CQ;w = (z i+zfzJmodG 是长度为P的随机序列；Q1是由w序列生成tXt矩阵块；Z3是混沌序列Z3转化的tXt矩 阵块； 3)密钥扰动 将当前（g'，V )处加密矩阵块中的像素作为扰动因子，按如下方式扰动混沌系统； 设
，利用M、N产生Logistic-Tent映射、 Logistic-Sine 映射及Tent-Sine映射混沌系统新的参数和初始值； Logistic-Tent 映射，U1= [k2+2(M+N+l)/G]/2, X10= (k3+MN)/2562 (19) Logistic-Sine 映射，μ 2= [k 4+2 (M+N+l)/G]/2, x2〇= (k5+MN)/2562 (20) Tent-Sine 映射，μ 3= [k 6+2 (M+N+l)/G]/2, X30= (k7+MN)/2562 (21) 上述扰动密钥方式不仅可以使密文像素的影响扩散到整幅图像，从而增强加密图像对 密钥、密文及明文的敏感性，而且匕，k2, . . .，k7, Ctl的引入可以增大密钥空间； 利用上述系统产生的参数和初始值，对混沌系统进行扰动，产生新的混沌序列Zl，z2， Z3，供下一个随机加密块生成使用；依此类推，直至把E填满，从而自适应完成加密，并生成 加密图像矩阵E ; 步骤5 :解密过程是加密的逆运算。
2.根据权利要求1所述的分块双层自适应扩散图像加密方法，其特征在于：所述的步 骤4采用分块双层自适应替换加密方式，在随机置乱过程中利用密文像素与密文像素、明 文像素及混沌随机序列间的相互作用，将每个像素影响非线性地扩散到整幅图像矩阵中， 并在扩散过程中不断扰动混沌系统，形成自适应扩散过程，增强加密图像对密钥、密文及明 文的敏感性，保证加密的安全性。
【专利摘要】本发明提供了一种分块双层自适应扩散数字图像加密方法。采用Logistic映射、Tent映射和Sine映射，进行两两组合构建三种新一维混沌映射，提取初始混沌序列，使其具有较宽的混沌范围和较好的混沌行为；然后通过结合Arnold正反向映射，将置乱与扩散同步进行，不仅可以使每个像素的访问顺序及每个位置的存储顺序机会均等，增强置乱随机性，克服常规Arnold映射从规则到随机访问的缺陷，而且在置乱过程中采用分块双层自适应扩散，利用密文像素与密文像素、明文像素及混沌随机序列间的相互作用，将每个像素影响非线性地扩散到整幅图像矩阵中，并在扩散过程中不断扰动混沌系统，形成自适应扩散过程，增强加密图像对密钥、密文及明文的敏感性。
【IPC分类】G06T1-00
【公开号】CN104766264
【申请号】CN201510043606
【发明人】张绍武, 徐亚, 宋金林
【申请人】西北工业大学
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年1月22日