一种基于多涡卷混沌系统的图像加密方法与流程

本发明涉及图像处理技术，具体地说，是一种基于多涡卷混沌系统的图像加密方法。

背景技术：

随着信息技术的发展，每天的信息传输量越来越多，人们对信息安全的关注度也越来越高。为了有效保证用户信息不被非法使用，通常在信息传输中的都采用了加密算法。

针对图像加密而言，混沌加密属于目前研究的热点。按照加密变换方式不同，基于混沌的图像加密方法可分为像素位置变换和像素值变换两种，但是现有的混沌加密，大多采用低维混沌系统或映射，但是其存在的技术缺陷是：密钥空间小，混沌序列复杂度不高，到账密码系统安全性不高，难以抵抗攻击。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出一种基于多涡卷混沌系统的图像加密方法，通过生成多段混沌序列，同时将其应用于像素位置变换和像素值变换过程中，从而提升算法复杂性，保证加密系统安全。

为了实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：

一种基于多涡卷混沌系统的图像加密方法，其关键在于按照以下步骤进行：

s1：利用多涡卷混沌系统产生3个混沌序列，分别记为h1,h2,h3；

s2：将图像用像素矩阵p表示，并根据图像大小确定行数m和列数n；

s3：截取混沌序列h1中长为m的序列来构成行置乱随机向量x；

s4：截取混沌序列h2中长为n的序列来构成列置乱随机向量y；

s5：将像素矩阵p中的第i行与第xi行互换，第j列与第yj列互换，从而得到置乱图像p^xy，其中xi为随机向量x中第i个元素的值，yj为随机向量y中第j个元素的值；

s6：从混沌序列h2中截取长为m×n的序列对置乱图像p^xy各个像素值进行正向替代，然后在从混沌序列h3中截取长为m×n的序列对其进行反向替代，最终得到加密后的图像。

可选地，步骤s1中采用的多涡卷混沌系统为单方向jerk10涡卷系统，其数学表达式为：

式中变量a＝0.5，n＝4，β＝0.45。

进一步地，步骤s3中按照：

x＝mod{floor[(h1(1:m)+100)*10^10],m}+1来构成行置乱随机向量x；

步骤s4中按照：y＝mod{floor[(h2(1:n)+100)*10^10],n}+1来构成列置乱随机向量y；

式中h1(1:m)表示依次取混沌序列h1中长为m的序列，h2(1:n)表示依次取混沌序列h2中长为n的序列，floor()表示浮点运算函数，mod()表示求模运算函数，将直接运算所得的x中重复的数只保留一个，并用{1,2,…,m}中没有出现在x中的元素由小到大排列在随机向量x的末尾，得到最终的行置乱随机向量x，且该随机向量中的各个元素xi∈{1,2,…,m}；同理，将直接运算所得的y中重复的数只保留一个，并用{1,2,…,n}中没有出现在y中的元素由小到大排列在y的末尾，得到最终的列置乱随机向量y，且该随机向量中的各个元素yi∈{1,2,…,n}。

进一步地，步骤s6中正向替代序列的生成方式为：

z1＝mod{floor[(h2(1:m*n)+100)*10^10],256}；

步骤s6中反向替代序列的生成方式为：

z2＝mod{floor[(h3(1:m*n)+100)*10^10],256}；

其中，h2(1:m*n)表示依次取混沌序列h2中长为m*n的序列，h3(1:m*n)表示依次取混沌序列h3中长为m*n的序列。

进一步地，步骤s6中，将置乱图像p^xy展开为一维向量；

正向替换时，i从1增加到m*n，正向替换后向量记为c且：

反向替换时，i从m*n减少到1，反向替换后向量记为d且：

其中c0与dm*n+1为常熟，在密钥中预先给出，为置乱图像p^xy展开为一维向量后的第i个元素，ci为正向替换后向量c中的第i个元素，di为反向替换后向量d中的第i个元素，z1,i为正向替代序列z1中的第i个元素，z2,i为反向替代序列z2中的第i个元素。

本发明的显著效果是：

本发明通过生成三段混沌序列，在图像像素位置变换过程中，分别用第一混沌序列和第二混沌序列进行行变换和列变换，在图像像素值替换过程中，又分别用第二混沌序列和第三混沌序列进行正向替代和反向替代，从而有效增加了加密算法的复杂度，保证了系统的安全性。

附图说明

图1为实现本方法的实验箱的电路原理框图；

图2为实现本方法的实验箱的安装结构示意图；

图3为图2所示实验箱的使用状态连接关系图。

具体实施方式

下面对发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。

本发明公开一种基于多涡卷混沌系统的图像加密方法，主要按照以下步骤进行：

s1：利用多涡卷混沌系统产生3个混沌序列，分别记为h1,h2,h3；

具体实施时，采用的多涡卷混沌系统为单方向jerk10涡卷系统，其数学表达式为：

式中变量a＝0.5，n＝4，β＝0.45。

s2：将图像用像素矩阵p表示，并根据图像大小确定行数m和列数n，每个像素值为0～255。

s3：截取混沌序列h1中长为m的序列来构成行置乱随机向量x；

s4：截取混沌序列h2中长为n的序列来构成列置乱随机向量y；

s5：将像素矩阵p中的第i行与第xi行互换，第j列与第yj列互换，从而得到置乱图像p^xy，其中xi为随机向量x中第i个元素的值，yj为随机向量y中第j个元素的值；

s6：从混沌序列h2中截取长为m×n的序列对置乱图像p^xy各个像素值进行正向替代，然后在从混沌序列h3中截取长为m×n的序列对其进行反向替代，最终得到加密后的图像。

具体实施时，步骤s3中按照：

x＝mod{floor[(h1(1:m)+100)*10^10],m}+1来构成行置乱随机向量x；

步骤s4中按照：y＝mod{floor[(h2(1:n)+100)*10^10],n}+1来构成列置乱随机向量y；

式中h1(1:m)表示依次取混沌序列h1中长为m的序列，h2(1:n)表示依次取混沌序列h2中长为n的序列，floor()表示浮点运算函数，mod()表示求模运算函数，将直接运算所得的x中重复的数只保留一个，并用{1,2,…,m}中没有出现在x中的元素由小到大排列在随机向量x的末尾，得到最终的行置乱随机向量x，且该随机向量中的各个元素xi∈{1,2,…,m}；同理，将直接运算所得的y中重复的数只保留一个，并用{1,2,…,n}中没有出现在y中的元素由小到大排列在y的末尾，得到最终的列置乱随机向量y，且该随机向量中的各个元素yi∈{1,2,…,n}。

同时，步骤s6中正向替代序列的生成方式为：

z1＝mod{floor[(h2(1:m*n)+100)*10^10],256}；

步骤s6中反向替代序列的生成方式为：

z2＝mod{floor[(h3(1:m*n)+100)*10^10],256}；

其中，h2(1:m*n)表示依次取混沌序列h2中长为m*n的序列，h3(1:m*n)表示依次取混沌序列h3中长为m*n的序列。

在进行像素替换时，先将置乱图像p^xy展开为一维向量；

正向替换时，i从1增加到m*n，正向替换后向量记为c且：

反向替换时，i从m*n减少到1，反向替换后向量记为d且：

其中c0与dm*n+1为常熟，在密钥中预先给出，pi^xy为置乱图像p^xy展开为一维向量后的第i个元素，ci为正向替换后向量c中的第i个元素，di为反向替换后向量d中的第i个元素，z1,i为正向替代序列z1中的第i个元素，z2,i为反向替代序列z2中的第i个元素。

在具体操作过程中，混沌值可以采用matlab自带的函数ode45来求解，经过处理转化即可得到可用的混吨序列。

为了进一步验证上述加密算法的效果，本发明还研发了一套用于图像加密处理的实验箱，如图1所示，包括箱体，所述箱体的内部设置有第一dsp控制板和第二dsp控制板，在所述第一dsp控制板和第二dsp控制板上分别设置有用于实现相互通信的无线通信装置，在所述第一dsp控制板和第二dsp控制板之间还通过网线连接实现有线通信，在所述箱体上还设置有第一外接电源接口、第一外接pc机接口、第二外接电源接口以及第二外接pc机接口；所述第一外接电源接口与所述第一dsp控制板连接，用于实现第一dsp控制板供电；该第一dsp控制板通过第一仿真器与所述第一外接pc机接口相连，用于实现原始图像数据与加密算法的上传；所述第二外接电源接口与所述第二dsp控制板连接，用于实现第二dsp控制板供电；该第二dsp控制板通过第二仿真器与所述第二外接pc机接口相连，用于实现解密算法与同步解码信息的传输；在所述箱体内部设置有主面板，所述主面板上按照左右并排镶嵌有第一显示器和第二显示器，所述第一显示器连接所述第一dsp控制板，用于显示原始图像与加密后的图像信息；所述第二显示器连接所述第二dsp控制板，用于显示加密图像以及解密后的图像信息。

如图2所示，图中可见部件的标注对应如下：1为箱体，2为主面板，3为提手，4为第一显示器，5为第二外接pc机接口，6为第二网络接口。通过图2可以看出，在本实施例中，箱体1呈方型，设有可翻折的箱盖，为了便于电源连接，第一外接电源接口和所述第二外接电源接口位于箱体的后侧面板上，第一外接pc机接口位于箱体的左侧面板上，第二外接pc机接口5位于箱体的右侧面板上，正面设有把手3，箱体主面板2上左右对称设置第一显示器和第二显示器，由于图像处理一般采用256*256的lena图，为了使结果显示更为明晰，采用尺寸较大的lcd屏，本例中第一显示器与所述第二显示器均为7寸lcd显示器，为了便于网线连接，在所述主面板2上左右并列设置有第一dsp控制板的网络接口和第二dsp控制板的网络接口6，所述网线可插拔的连接在二者之间，为了保护核心电路被意外损坏，所述第一dsp控制板、第二dsp控制板、第一仿真器以及第二仿真器固定在所述主面板的背面。

从图2还可以看出，为了便于散热，在所述箱体的侧壁上设置有散热筋，

在具体实施时，所述无线通信装置为wifi模块，可以传输较大的数据流，能够完成加密后的图像信息传输，由于该实验箱的实验对象是混沌系统与图像加密，这两者均需要极强的运算能力和处理能力，因此dsp控制芯片需要性能较好，所以在实施时，所述第一dsp控制板和第二dsp控制板中的核心处理器均采用芯片型号为tms320c6748的dsp芯片。

如图3所示，本实验箱的使用方式如下：

实验箱外接pc机，将本发明所述的图像加密算法导入，由第一dsp控制板进行加密过程处理，并通过第一显示器对处理后的结果进行显示，同时，利用无线传输或有线传输装置进行加密处理后信息的传输，通过第二dsp控制板对加密信息进行解密，并通过第二显示器显示出解密效果，通过一套完整的实验流程，最终验证了加密算法的可行性，并直观的体现出加密算法的效果。