图像加密方法、装置、电子设备及计算机存储介质与流程

本发明涉及图像处理和信息安全技术领域，尤其涉及一种图像加密方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质。

背景技术：

随着互联网时代的到来，人们在享受大众媒体和网络技术带来的便利的同时，也越来越多地面临信息安全方面的问题。而图像作为典型的信息载体，可能携带隐私数据或商业机密，因此在传输和储存的过程中需要被妥善保护。

现如今，众多图像加密方案应运而生。比较常见的图像加密方法有基于混沌映射的图像加密方法、基于随机分数阶离散余弦变换的图像加密方法等。但是，在安全性上都存在一定的缺陷。

比如：针对基于混沌映射的图像加密方法，由于单一的置乱不会改变明文图像的统计特性，所以易受到基于直方图和信息熵分析的攻击手段；若结合置乱和扩散，则加密速度相对较慢，且往往需要多次循环迭代。此外，包括arnold映射在内的一些混沌映射存在周期性规律，为暴力破解提供了可能。针对基于随机分数阶离散余弦变换的图像加密方法，由于生成序列和分数阶序列均为一维序列，对于二维图像的加密存在局限性，且算法的混沌性较低，此外，也不足以抵抗基于明文的攻击和差分攻击。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种图像加密方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质，解决现有图像加密方法安全性不高的技术问题，实现提高图像加密的安全性和高效性。

第一方面，本发明实施例提供了一种图像加密方法，该方法包括：

获取生成矩阵和分数阶矩阵，其中，所述生成矩阵和分数阶矩阵均为二维矩阵；

将所述生成矩阵和分数阶矩阵作为待加密的明文图像对应的随机分数阶离散余弦变换核矩阵的参数，以对所述明文图像进行随机分数阶离散余弦变换加密操作；

生成所述随机分数阶离散余弦变换加密操作对应的明文图像的第一加密结果。

第二方面，本发明实施例还提供了一种图像加密装置，该装置包括：

矩阵生成模块，用于获取生成矩阵和分数阶矩阵，其中，所述生成矩阵和分数阶矩阵均为二维矩阵；

第一加密模块，用于将所述生成矩阵和分数阶矩阵作为待加密的明文图像对应的随机分数阶离散余弦变换核矩阵的参数，以对所述明文图像进行随机分数阶离散余弦变换加密操作；

第一加密结果生成模块，用于生成所述随机分数阶离散余弦变换加密操作对应的明文图像的第一加密结果。

第三方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本发明实施例提供的图像加密方法。

第四方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器，处理器及存储在存储器上并可在处理器运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如本发明实施例提供的图像加密方法。

本发明实施例，获取生成矩阵和分数阶矩阵，其中，所述生成矩阵和分数阶矩阵均为二维矩阵，将所述生成矩阵和分数阶矩阵作为待加密的明文图像对应的随机分数阶离散余弦变换核矩阵的参数，以对所述明文图像进行随机分数阶离散余弦变换加密操作，生成所述随机分数阶离散余弦变换加密操作对应的明文图像的第一加密结果。实现提高图像加密的安全性和高效性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种图像加密方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的加密/解密过程的流程示意图；

图3是本发明实施例提供的另一种图像加密方法的流程示意图；

图4是本发明实施例提供的另一种图像加密方法的流程示意图；

图5是本发明实施例涉及的加密到解密过程的图片样例示意图；

图6是本发明实施例提供的一种图像加密装置的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1为本发明实施例提供的一种图像加密方法的流程示意图，该方法可以由本发明实施例提供的电子设备来执行，该电子设备可采用软件和/或硬件方式实现，该方法具体包括如下步骤：

步骤110、获取生成矩阵和分数阶矩阵，其中，所述生成矩阵和分数阶矩阵均为二维矩阵；

生成矩阵和分数阶矩阵的生成方法如下所示：

s1：获取预设密钥参数和所述明文图像的扰动参数，其中，所述扰动参数由所述明文图像以及预设公式计算得出，所述预设密钥参数包括第一预设密钥参数和第二预设密钥参数；

本实施例中，预设密钥参数为x0′、y0′、z0′、μ′、υ′、γ′。进一步的，将x0′、y0′、μ′作为第一预设密钥参数，z0′、υ′、γ′作为第二预设密钥参数。采用明文图像相关的扰动参数，增强加密系统的非线性，以抵御基于明文的攻击和差分攻击，计算明文图像i的扰动参数δ的预设公式如下所示：

其中，为明文图像的均值，为下取整函数。

进一步的，本发明中预设密钥参数x0′、y0′、z0′、μ′、υ′、γ′的精度均为10^-15，因此，密钥空间为10⁹⁰>>2²⁹⁸，密钥空间足够大，足以抵抗暴力破解。若一个密钥参数偏差10^-15，其余密钥参数不变的情况下进行图像解密，解密图像没有暴露明文图像的任何信息。因此证明本发明的密钥是足够敏感的。

s2：根据所述第一预设密钥参数和扰动参数得到所述明文图像的第一加密参数；

本实施例中，根据预设密钥参数和明文图像的扰动参数δ得到明文图像相关的参数，具体计算公式如下所示：

其中，x0、y0、μ为第一加密参数，z0、υ、γ为第二加密参数。

s3：根据所述第一加密参数以及预设二维调整逻辑斯蒂正弦映射函数得到所述生成矩阵和分数阶矩阵。

本实施例中，预设二维调整逻辑斯蒂正弦映射(2dlogistic-adjustedsinemap)函数为：

其中，μ＝μ′+δ∈[0.44,0.93]为控制参数，x0＝x0′+δ∈(0,1)，y0＝y0′+δ∈(0,1)为初始值。对于n×n的明文图像，生成矩阵和分数阶矩阵的生成方法如下所示：

1、迭代(1)式k1+n²-1次，舍弃前k1项以提高混沌程度，得到序列其中，k1用作密钥，在加密操作中为已知值。

2、将序列x的前n²/2项重排列为n×n/2的分数阶矩阵a，后n²/2项均匀映射为整数0，1，2，3，再重排列为n×n/2的生成矩阵p。

3、n/2×n的分数阶矩阵b和生成矩阵q以相似的方式由序列y得到。

步骤120、将所述生成矩阵和分数阶矩阵作为待加密的明文图像对应的随机分数阶离散余弦变换核矩阵的参数，以对所述明文图像进行随机分数阶离散余弦变换加密操作；

该步骤可以包括为如下两个子步骤：

s4：根据所述明文图像的行元素以及对应的随机分数阶离散余弦变换核矩阵的行元素，生成中间图像；

s5：根据所述中间图像的列元素以及对应的随机分数阶离散余弦变换核矩阵的列元素，对所述明文图像进行随机分数阶离散余弦变换加密操作。

上述s4和s5对应的原理如下所示：

在获得分数阶矩阵a和b，以及生成矩阵p和q之后，对于明文图像i，假如g表示中间图像，则对明文图像进行随机分数阶离散余弦变换加密操作可描述为：

对应的，其逆运算可描述为：

其中，i表示第i行，j表示第j列。

需要说明的是，对应n×n的明文图像i，为了简化运算，可取n为4的整数倍，明文图像第i行对应的随机分数阶离散余弦变换核矩阵可表示为：

明文图像第j行对应的随机分数阶离散余弦变换核矩阵可表示为：

其中，为酉矩阵，un为第ii类标准n×n的dct(离散余弦变换)矩阵的第n个特征向量。a和b为分数阶矩阵，p和q为生成矩阵，a和p的大小是n×n/2，b和q的大小是n/2×n，大小是用行数×列数的形式进行描述。为un对应的特征根的特征角，取值范围在[0,π]。

步骤130、生成所述随机分数阶离散余弦变换加密操作对应的明文图像的第一加密结果。

图2为加密/解密过程的流程图，图中e表示第一加密结果。

对应的，图2中的为解密过程中生成的图像，解密过程为上述加密过程的逆运算。

本实施例的技术方案，获取生成矩阵和分数阶矩阵，其中，所述生成矩阵和分数阶矩阵均为二维矩阵，将所述生成矩阵和分数阶矩阵作为待加密的明文图像对应的随机分数阶离散余弦变换核矩阵的参数，以对所述明文图像进行随机分数阶离散余弦变换加密操作，生成所述随机分数阶离散余弦变换加密操作对应的明文图像的第一加密结果。实现提高图像加密的安全性和高效性。

图3是本发明实施例提供的另一种图像加密方法的流程示意图，参见图3，该方法进一步包括如下步骤：

步骤310、对所述明文图像的第一加密结果进行置乱处理，以生成所述明文图像的第二加密结果。

本实施例中，先对第一加密结果e进行量化处理，得到e1，对应的量化公式为：再对量化后的图像e1进行置乱处理，得到明文图像的第二加密结果。

需要说明的是，量化的作用是使第一加密结果e的范围限制在0～255之间，以便于后续的扩散操作，因为在扩散操作中，需要待处理图像的像素值为0～255之间的整数。该量化处理相当于一个映射，比如把0～100之间的数值均匀地映射到0～1之间的数值，100对应1，99对应0.99。

具体的，步骤310包括如下几个子步骤：

s6：根据所述第二预设密钥参数和扰动参数得到所述明文图像的第二加密参数；

第二加密参数z0、υ、γ已由上述实施例的步骤110得到。

s7：根据所述第二加密参数以及预设混沌映射函数得到生命游戏初代矩阵和随机矩阵；

s8：对所述生命游戏初代矩阵采用预设生命游戏算法进行迭代操作，以得到多个生命游戏矩阵；

s9：对多个所述生命游戏矩阵分别采用行列优先顺序遍历第一加密结果，以得到所述明文图像的第二加密结果。

预设混沌映射(1dchaosmap)函数如下所示：

其中，υ＝υ′+δ∈(0,10]，γ＝γ′+δ∈[8,20]为控制参数，z0＝z0′+δ∈(0,1)为初始值，υ′、γ′和z0′用作密钥。

预设生命游戏算法如下所示：

其中，s为n×n的二值矩阵，st(i,j)表示t时刻(i,j)处的元素状态。1表示“生”，0表示“死”，sum为(i,j)邻域内状态为“生”的元素个数。在该算法里使用的是摩尔邻域和周期性边界条件，以获得最大的混沌程度。

基于上述两个公式(预设混沌映射(1dchaosmap)函数和预设生命游戏算法)，假设置乱输出为m，则置乱处理的过程描述如下：

1、迭代(3)式k2+2n²-1次，舍弃前k2项以提高混沌程度，得到序列其中，k2用作密钥，在加密操作中为已知值。

2、对序列z的前n²项以0.5为阈值二值化，并重排列为n×n的生命游戏初代矩阵d0；将序列z的后n²项均匀映射为整数0，1，…，255，并重排列为n×n的随机矩阵c。

3、对d0使用(2)式迭代h次，得到d1，d2，…，dh。

4、以行优先顺序遍历d1的元素，如果d1(i,j)＝1，则m(i,j)＝e(i,j)。

5、对于m＝2，…，h，n＝1，…，m-1，以行优先顺序遍历dm和dn的元素，如果dm(i,j)＝1，且dn(i,j)＝0，则m(i,j)＝e(i,j)。

6、对于m＝1，…，h，以行优先顺序遍历dm的元素，如果dm(i,j)＝0，则m(i,j)＝e(i,j)。

7、令e＝m，以列优先顺序重新执行上述步骤4，5，6。

综上所述，m为第二加密结果。对应的，置乱处理过程也有解密过程，解密过程的原理与置乱处理过程的加密原理一样，具体过程参见图2，图2中的为解密过程中生成的图像，解密过程为上述加密过程的逆运算。

本实施例的技术方案，在随机分数阶离散余弦变换加密操作的基础上，进一步进行置乱处理，该置乱处理采用了基于混沌映射的生命游戏算法，改变了第一加密结果的统计特性，从而提高图像加密的安全性。

图4是本发明实施例提供的另一种图像加密方法的流程示意图，参见图4，该方法进一步包括如下步骤：

步骤410、对所述明文图像的第二加密结果采用异或运算进行扩散处理，以得到所述明文图像的密文图像。

具体的，步骤410包括如下2个子步骤：

s10、将所述第二加密结果和随机矩阵通过预设异或函数，以得到扩散输出；

s11、将所述扩散输出作为所述密文图像。

本实施例中，采用异或运算对置乱的结果进一步扩散，使扩散后图像的直方图近似为均匀分布，信息熵接近理想值，并作为最终密文图像输出。该扩散过程采用的预设异或函数如下所示：

其对应的逆运算可描述为：

其中，c为上述随机矩阵，为比特级运算符，r为扩散输出，也即最终密文图像。扩散处理过程也有解密过程，解密过程的原理与扩散处理过程的加密原理一样，具体过程参见图2。此外，参见图5，第一列为三幅明文图像；第二列为对应的随机分数阶离散余弦变换加密图像；第三列为对应的置乱、扩散处理后的图像；第四列为对应的解密图像。

需要说明的是，本发明提供的图像加密方法可抵抗基于相邻像素相关系数分析的攻击、可抵抗差分攻击，且可抵抗一定的噪声攻击和裁剪攻击，具有一定的鲁棒性。

本实施例的技术方案，在置乱处理得到的第二加密结果m的基础上，进一步进行扩散处理，使得扩散后图像的直方图近似为均匀分布，信息熵接近理想值，如此，可抵抗基于信息熵分析的攻击以及抵抗直方图分析攻击，进一步提高了图像加密的安全性。

图6是本发明实施例提供的一种图像加密装置的结构示意图，该装置适用于执行本发明任意实施例提供的图像加密方法，如图6所示，该装置包括：矩阵生成模块610，第一加密模块620和第一加密结果生成模块630。

矩阵生成模块610，用于获取生成矩阵和分数阶矩阵，其中，所述生成矩阵和分数阶矩阵均为二维矩阵；

第一加密模块620，用于将所述生成矩阵和分数阶矩阵作为待加密的明文图像对应的随机分数阶离散余弦变换核矩阵的参数，以对所述明文图像进行随机分数阶离散余弦变换加密操作；

第一加密结果生成模块630，用于生成所述随机分数阶离散余弦变换加密操作对应的明文图像的第一加密结果。

在上述实施例的基础上，第一加密模块620包括：

根据所述明文图像的行元素以及对应的随机分数阶离散余弦变换核矩阵的行元素，生成中间图像；

根据所述中间图像的列元素以及对应的随机分数阶离散余弦变换核矩阵的列元素，对所述明文图像进行随机分数阶离散余弦变换加密操作。

在上述实施例的基础上，矩阵生成模块610包括：

获取预设密钥参数和所述明文图像的扰动参数，其中，所述扰动参数由所述明文图像以及预设公式计算得出，所述预设密钥参数包括第一预设密钥参数和第二预设密钥参数；

根据所述第一预设密钥参数和扰动参数得到所述明文图像的第一加密参数；

根据所述第一加密参数以及预设二维调整逻辑斯蒂正弦映射函数得到所述生成矩阵和分数阶矩阵。

在上述实施例的基础上，还包括：

第二加密结果生成模块，用于对所述明文图像的第一加密结果进行置乱处理，以生成所述明文图像的第二加密结果。

在上述实施例的基础上，第二加密结果生成模块包括：

根据所述第二预设密钥参数和扰动参数得到所述明文图像的第二加密参数；

根据所述第二加密参数以及预设混沌映射函数得到生命游戏初代矩阵和随机矩阵；

对所述生命游戏初代矩阵采用预设生命游戏算法进行迭代操作，以得到多个生命游戏矩阵；

对多个所述生命游戏矩阵分别采用行列优先顺序遍历第一加密结果，以得到所述明文图像的第二加密结果。

在上述实施例的基础上，还包括：

第三加密结果生成模块，用于对所述明文图像的第二加密结果采用异或运算进行扩散处理，以得到所述明文图像的密文图像。

在上述实施例的基础上，第三加密结果生成模块包括：

将所述第二加密结果和随机矩阵通过预设异或函数，以得到扩散输出；

将所述扩散输出作为所述密文图像。

本实施例提供的图像加密装置，获取生成矩阵和分数阶矩阵，其中，所述生成矩阵和分数阶矩阵均为二维矩阵，将所述生成矩阵和分数阶矩阵作为待加密的明文图像对应的随机分数阶离散余弦变换核矩阵的参数，以对所述明文图像进行随机分数阶离散余弦变换加密操作，生成所述随机分数阶离散余弦变换加密操作对应的明文图像的第一加密结果。实现提高图像加密的安全性和高效性。

本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本发明所有实施例提供的图像加密方法：也即，该程序被处理器执行时实现：获取生成矩阵和分数阶矩阵，其中，所述生成矩阵和分数阶矩阵均为二维矩阵，将所述生成矩阵和分数阶矩阵作为待加密的明文图像对应的随机分数阶离散余弦变换核矩阵的参数，以对所述明文图像进行随机分数阶离散余弦变换加密操作，生成所述随机分数阶离散余弦变换加密操作对应的明文图像的第一加密结果。

可以采用一个或至少两个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或至少两个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。

计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括——但不限于——电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。

计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括——但不限于——无线、电线、光缆、rf等等，或者上述的任意合适的组合。

可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如java、smalltalk、c++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“c”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或电子设备上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(lan)或广域网(wan)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

图7是本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图，该电子设备可集成本发明实施例提供的图像加密装置。参见图7，电子设备700可以包括：存储器710，处理器720及存储在存储器710上并可在处理器720运行的计算机程序，所述处理器720执行所述计算机程序时实现如本发明实施例所述的图像加密方法。

本发明实施例提供的电子设备，获取生成矩阵和分数阶矩阵，其中，所述生成矩阵和分数阶矩阵均为二维矩阵，将所述生成矩阵和分数阶矩阵作为待加密的明文图像对应的随机分数阶离散余弦变换核矩阵的参数，以对所述明文图像进行随机分数阶离散余弦变换加密操作，生成所述随机分数阶离散余弦变换加密操作对应的明文图像的第一加密结果。实现提高图像加密的安全性和高效性。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。