基于gt变换和混沌的单通道彩色图像加密方法
【专利摘要】基于GT变换和混沌的单通道彩色图像加密方法，包含两层加密框架；第一层加密框架中，先对彩色图像实施归一化操作并将归一化后的图像分解为红色、绿色和蓝色三个分量图像；然后对三个分量图像分别实施Arnold变换进行像素置乱；最后使用Logistic混沌映射、tent混沌映射、旋转角度为α的Gyrator变换，将置乱后的三个分量图像组合为三通道结构相关的数据信息；在第二层加密框架中，首先对该三通道结构相关的数据信息执行Arnold变换；然后对Arnold变换的结果实施相位调制；最后对相位调制的结果实施Gyrator变换，完成加密流程，得到灰度图像信息。
【专利说明】基于GT变换和混沌的单通道彩色图像加密方法
【技术领域】
[0001]本发明属于虚拟光学信息加密方法【技术领域】，涉及一种基于GT (回转)变换和混沌的单通道彩色图像加密方法。
【背景技术】
[0002]近年来，光学加密技术在信息安全中扮演着越来越重要的作用。自Refregier和Javidi提出基于双随机相位加密以来，研究者提出各种图像加密技术，例如，分数傅里叶变换和扩展的分数傅里叶变换，相位恢复过程和随机像素置乱操作。这些方法的主要缺点是使用单束光照射输入图片，使得解密图像的彩色信息丢失。因此彩色图像加密已经成为一个严峻的问题，成为光学应用的难题。
[0003]Karim等提出基于索引图像和双随机掩码的彩色图像加密方法。赵道木等使用波分复用和无透镜菲涅尔变换全息图加密彩色图像，也有学者提出基于gyrator变换使用两步相移干涉和Arnold变换的图像加密算法。赵道木和陈林峰不仅提出了基于波分复用和无透镜菲涅尔变换全息图的彩色图像加密算法，还提出了基于分数傅里叶变换和数字全息的彩色信息加密和合成算法。Joshi等提出基于分数傅里叶变换和自然对数的非线性彩色图像加密方案。陈文等提出基于Arnold变换和干涉技术的彩色图像加密算法。刘正军等提出离散余弦变换域基于Arnold变换和颜色混合操作的彩色图像加密方法，该方法用Arnold变换置乱彩色图像三个通道的像素位置,用离散余弦变换改变像素值。Muhammad在GT域不仅提出基于离散余弦变换和径向希尔伯特相位掩码的彩色信息加密方法，还提出基于Arnold变换的彩色信息加密方法。Hwang提出菲涅尔变换域基于改进Gerchberg -Saxton算法的图像加密算法。
[0004]然而，上述算法都属于多通道加密，即将彩色图像的红绿蓝三个通道单独加密、解密，这样会使这些加密系统的复杂度提高。为了克服此问题，研究者已经提出了各种基于单通道技术的彩色图像加密方案。刘红军和王兴元提出的加密方案中，先将MXN像素的彩色图像转换成MX3N的灰度图像，然后使用分段混沌映射产生的序列对该灰度图像实施位水平置乱，接下来将置乱后的图像分解成三部分，对该三部分分别使用Chen系统实现混淆、扩散。
[0005]陈文提出基于彩色图像的索引图像的光学非对称加密系统，在该系统中用到了菲涅尔域的相位截断策略。周南润等提出了基于混沌映射和分数傅里叶变换的彩色图像加密方案，在该方案中，彩色图像先加密或解密成色相饱和磁化强度。此外，周南润等提出了基于实时存储的分数梅林变换非线性彩色图像加密算法，该算法中，密文是实时的，易于显示、传输、存储。邓晓鹏和赵道木提出了一个单通道非对称加密系统将一幅彩色图像加密成一个实值灰度密文，这样使得解密过程相当简单。上述算法都是基于单通道技术的彩色图像加密，虽然他们在一定程度上简化了加密过程，但依然存在密钥空间小、安全性低等问题。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提出一种基于GT变换和混沌的单通道彩色图像加密方法，解决现有技术存在的密钥空间小、安全性低的问题。
[0007]本发明所采用的技术方案是，基于GT变换和混沌的单通道彩色图像加密方法，包含两层加密框架；第一层加密框架中，首先，对彩色图像实施归一化操作并将归一化后的图像分解为红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)三个分量图像；然后，对三个分量图像分别实施Arnold变换进行像素置乱；最后,使用Logistic混沛映射、tent混沛映射、旋转角度为α的Gyrator变换，将置乱后的三个分量图像组合为三通道结构相关的数据信息；在第二层加密框架中，首先，对该三通道结构相关的数据信息执行Arnold变换；然后，对Arnold变换的结果实施相位调制；最后，对相位调制的结果实施Gyrator变换，完成整个加密流程，得到最终的灰度图像信息。
[0008]本发明的特点还在于:
[0009]第一层加密框架具体包括:
[0010]第一步:对原始彩色图像执行归一化操作，并将其分解为R、G、B三个分量图像，分别表不为r (x, y)、g(x, y)和b (x, y),每幅分量图像中像素最大值为I ;
[0011]第二步:对分量图像r (X，y)、g(x, y)和b (x, y)分别实施迭代次数为n3、n2及Ii1的Arnold变换,置乱后的噪声图像分别表示为An3 (r(x, y))、An2(g(x, y))和Anl (b (x, y))；
[0012]第三步:先得到第一个混沌相位调制函数，该函数由置乱后的蓝色分量Anl(b(x，y))与Logistic混沛映射序列C1(Xj)组合而成，即为exp{i η (Anl(MXj)HC1(Xj)M ;将置乱后的绿色分量An2(g(x, y))与第一个混沛相位调制函数组合为复数信号氏“^^对氏匕。实施旋转角度为α的Gyrator变换得到绿色分量和蓝色分量的中间变量Hgb (χ, y), Hgb (χ, y)的振幅为Tgb (x, y),相位为angle {Hgb (x, y)}；然后计算第二个混沛相位调制函数，该函数由angle {Hgb (χ, y)}和二维非对称tent映射序列C2(x，y)组成，即为exp{iJi (angle {Hgb (x, y)}+C2 (x, y))};将置乱后的红色分量An3 (r (x, y))与第二个混沌相位调制函数组合为复数信号H2 (x, y)，对& (x, y)执行旋转角度为α的Gyrator变换,生成三通道相关的数据信息Η_(χ, y)。
[0013]第二层加密框架具体为:先对三通道相关的数据信息H_(x，y)实施迭代次数为114的Arnold变换,调制Arnold变换的结果和混沛序列exp {i n (C1 (x, y) +C2 (χ, y)},对调制得到的结果实施α阶Gyrator变换，提取变换结果的振幅得到最终密文Ifinal，提取变换结果的相位得到最终相位Pfinal。
[0014]上述第一层加密框架的第二步中，Arnold变换为:
[0015]
【权利要求】
1.基于GT变换和混沌的单通道彩色图像加密方法，其特征在于，包含两层加密框架；第一层加密框架中，首先，对彩色图像实施归一化操作并将归一化后的图像分解为红色(R)、绿色(G )和蓝色(B )三个分量图像；然后，对三个分量图像分别实施Arno I d变换进行像素置乱；最后，使用Logistic混沛映射、tent混沛映射、旋转角度为α的Gyrator变换，将置乱后的三个分量图像组合为三通道结构相关的数据信息；在第二层加密框架中，首先，对该三通道结构相关的数据信息执行Arnold变换；然后，对Arnold变换的结果实施相位调制；最后，对相位调制的结果实施Gyrator变换，完成整个加密流程，得到最终的灰度图像信息。
2.如权利要求1所述的基于GT变换和混沌的单通道彩色图像加密方法，其特征在于，第一层加密框架具体包括: 第一步:对原始彩色图像执行归一化操作，并将其分解为R、G、B三个分量图像，分别表示为r(x, y)、g(x, y)和b (x, y),每幅分量图像中像素最大值为I ; 第二步:对分量图像r(x, y)、g(x, y)和b (x, y)分别实施迭代次数为n3、n2及Ii1的Arnold变换,置乱后的噪声图像分别表示为An3 (r(x, y))、An2(g(x, y))和Anl (b (x, y))； 第三步:先得到第一个混沌相位调制函数，该函数由置乱后的蓝色分量Anl (b(x，y))与 Logistic 混沛映射序列 C1U, y)组合而成，即为 exp {i π (Anl (b (x, y)) +C1 (x, y))};将置乱后的绿色分量An2(g(x，y))与第一个混沌相位调制函数组合为复数信号H1(Xj),对H1 (x, y)实施旋转角度为α的Gyrator变换得到绿色分量和蓝色分量的中间变量Hgb (x，y)，Hgb (x, y)的振幅为Tgb (X，y)，相位为angle{Hgb(X，y)};然后计算第二个混沌相位调制函数，该函数由angle {Hgb(x, y)}和二维非对称tent映射序列C2 (x, y)组成，即为exp{i π (angle{Hgb(x, y)}+C2(x , y))};将置乱后的红色分量An3(r(x，y))与第二个混沌相位调制函数组合为复数信号比(1，7)，对!12(1，7)执行旋转角度为α的Gyrator变换，生成三通道相关的数据信息 Hrgb (X，y) ο
3.如权利要求1所述的基于GT变换和混沌的单通道彩色图像加密方法，其特征在于，第二层加密框架具体为:先对三通道相关的数据信息H_(X，y)实施迭代次数为114的Arnold变换,调制Arnold变换的结果和混沛序列exp {i π (C1 (x, y) +C2 (χ, y)},对调制得到的结果实施α阶Gyrator变换，提取变换结果的振幅得到最终密文Ifinal，提取变换结果的相位得到最终相位Pfinal。
4.如权利要求2所述的基于GT变换和混沌的单通道彩色图像加密方法，其特征在于，所述第一层加密框架的第二步中，Arnold变换为: _χπ广「I ιΤχ]、 Am: = ART[f(x,y),M] = mod,M Ly」LL1 2JLyJ J ⑴ 式(I)定义了 Arnold变换，其中ART表示Arnold变换，f(x, y)为待置乱的明文图像，f (x, y)大小为MXM, (x，y)和U丨,y')分别表示Arnold变换置乱前和置乱后的像素位置，mod()为取余运算符。
5.如权利要求2所述的基于GT变换和混沌的单通道彩色图像加密方法，其特征在于，所述第一层加密框架的第三步中，Gyrator变换为:
6.如权利要求2所述的基于GT变换和混沌的单通道彩色图像加密方法，其特征在于，所述第一层加密框架的第三步中，Logistic映射为:
f (χ) = P.χ.(1-χ) (4) 式(4)定义了一维Logistic映射，其中分形参数P为常数，且O < P ≤ 4，x为自变量，f (χ)为 Logistic 映射值；
χη+ι = P.χη.(l-xn) (5) 式(5)是式(4)的迭代形式，其中，分形参数P为常数，且O < P ≤ 4，xn, xn+1为混沌序列值，且 χη ε (O, I), xn+1 e (O, I)。
7.如权利要求2所述的基于GT变换和混沌的单通道彩色图像加密方法，其特征在于，所述第一层加密框架的第三步中，tent映射为:
8.如权利要求2所述的基于GT变换和混沌的单通道彩色图像加密方法，其特征在于，所述第一层加密框架的第三步中，复数信号H1(Xj)为:
H1 (χ, y) = An2 (g (χ, y)).exp{i π (Anl (b (x, y)) +C1 (x, y))} (7)式(7)定义了置乱后的绿色分量An2 (g(x，y))与第一个混沌相位调制函数exp {in (Anl (b (x, y))+C1 (x, y))}组合后得到的复数信号H1 (x, y),其中exp {}为指数运算，i为虚部符号，π为圆周率。
9.如权利要求2所述的基于GT变换和混沌的单通道彩色图像加密方法，其特征在于，所述第一层加密框架的第三步中，复数信号H2 (x，y)为:
H2 (x, y) = An3 (r (x, y)).exp{i π (angle (H1 (χ, y)}+C2 (χ, y))} (8) 式(8)定义了置乱后的红色分量An3(r(x，y))与第二个混沌相位调制函数exp {in (angle (H1 (x, y)} +C2 (χ, y))}组合后得到的复数信号H2 (χ, y),其中exp {}为指数运算，i为虚部符号，π为圆周率，angle{}为提取相位操作。
10.如权利要求1-9任一项所述的基于GT变换和混沌的单通道彩色图像加密方法，其特征在于，还包括解密过程，所述解密过程是加密的逆过程，包含两层解密框架，第一层解密框架为，调制最终密文Ifinal和最终相位Pfinal,对调制得到的结果实施-α阶Gyrator变换，调制变换得到的结果和相位exp {-1 π (C1 (x, y) +C2 (χ, y)}，对调制得到的结果实施迭代次数为m4的逆Arnold变换，变换后得到三通道相关数据Higb (x, y);第二层解密框架如下: 第一步:对三通道相关数据Hrgb (χ, y)实施-α阶Gyrator变换得到复数信号H2 (x, y),提取复数信号H2 (x, y)的 振幅，对该振幅实施迭代次数为m3的逆Arnold变换得到红色分量r (χ, y)； 第二步:提取复数信号H2 (χ, y)的相位得到angle {H2(x, y)},调制相位angle (H2 (x, y)}/ π -C2 (χ, y)和振幅Tgb (x, y),对调制得到的结果实施-α阶Gyrator变换得到复数信号H1 (x, y)，提取复数信号H1 (x, y)的振幅，对该振幅实施迭代次数为m2的逆Arnold变换得到绿色分量g(x, y)； 第三步:提取复数信号H1 (x, y)的相位得到angle (H1 (x, y)},对相位angle (H1 (x, y)}/π -C1 (χ, y)实施迭代次数为Iii1的逆Arnold变换得到蓝色分量b(x, y)。其中，当明文图像大小为 256X256 像素时，Iii1 = 192-]^,!? = 192-?, m3 = 192_n3, m4 = 192_n4 ;当明文图像大小为 512X512 像素时，Iii1 = 384-11” m2 = 384_n2, m3 = 384_n3, m4 = 384_n4。
【文档编号】G06T1/00GK103761703SQ201410018092
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月15日 优先权日:2014年1月15日
【发明者】隋连升, 段快快, 陈涛, 芦海伟 申请人:西安理工大学