一种改进的三维不等长Arnold图像置乱方法

一种改进的三维不等长arnold图像置乱方法
技术领域
1.本发明涉及图像置乱技术领域，具体涉及一种改进的三维不等长arnold图像置乱方法。


背景技术：

2.随着科技的进步以及网络技术的飞速发展，数字图像在互联网上广泛传播，在许多行业和领域起着重要作用，如何保证图像信息的安全传输和存储，成为了信息安全的一个极其重要的研究领域。为了保证图像的安全，可以采用图像加密技术，对图像的发送端和接收端分别做加密和解密处理，其中基于空间域置乱的加密技术是比较成熟的加密技术，且操作简单，效果好，被广泛应用在图像的加密处理中。图像是对客观对象的一种表示，它包含了被描述对象的重要信息，是人们最主要的信息源。对图像做置乱处理，按照一定的规则，可以使得原本有意义的图像变成一幅杂乱无章的图像，把原始信息隐藏起来，这样图像就被加密保护了，即使图像被他人获取，在加密情况下，没有密钥，盗取者也获取不了该图像的任何信息，从而大大增强了图像的安全性。
3.置乱算法中最常见的基于坐标映射算法即为arnold置乱变换，其改进算法目前也层出不穷。下面就展开介绍二维arnold变换以及传统的三维不等长arnold变换方法。
4.(1)二维arnold变换又被称为猫脸变换，因为最初该运算被运用在一张猫脸图像上，该变换是指在二维平面中对图像进行迭代运算，使得图像像素坐标打乱，达到加密图像的效果，其定义如公式(1.1)所示：
[0005][0006]
其中，(x,y)为变换前的图像像素坐标，(x',y')为变换后的图像像素坐标，m为图像的宽，该二维坐标映射变换只能运用在宽和高相等的图像上，对于宽高不一致的图像则无法进行坐标变换。
[0007]
(2)传统的三维不等长arnold变换则对上述问题进行改进，实现了对于不等长图像的置乱，其变换公式如(1.2)所示：
[0008]
[0009]
其中xn，yn，zn为映射前的三维图像像素坐标，x
n+1
，y
n+1
，z
n+1
为映射后的坐标，经过三次坐标映射，不仅可以对三维图像进行坐标变换，还能实现对不等长图像的置乱变换，但是其置乱效果仍旧存在不足。


技术实现要素：

[0010]
本发明提供了一种改进的三维不等长arnold图像置乱方法，包括置乱算法和逆置乱算法。
[0011]
所述置乱算法包括以下步骤：
[0012]
(1)读入彩色图像，将该图像分为r、g、b三个通道，作为三维空间中的z轴平面，使原本的二维图像变成三维图像；
[0013]
(2)将该图像的宽当作x轴，高当作y轴，r、g、b三通道当作z轴，根据变换公式 (1.3)进行像素点坐标映射；
[0014]
(3)变换公式为
[0015][0016]
(4)将该置乱变换过程重复10次，得到置乱图像；
[0017]
(5)给置乱图像加上噪声得到噪声图像，即剪切掉图像四周信息，剪切形式如公式 (1.4)所示；
[0018]
(6)剪切公式为
[0019][0020]
其中，cp
ij
即为剪切部分，i,j分别为行索引和列索引，m,n分别为图像的宽和高；
[0021]
(7)将噪声图像按照步骤(2)-(4)运行得到噪声加密图像；
[0022]
所述逆置乱过程包括以下步骤：
[0023]
(1)将置乱图像根据变换公式(1.5)进行坐标映射；
[0024]
(2)逆变换公式为
[0025][0026]
(3)重复逆变换过程10次得到解密图像；
[0027]
(4)将噪声加密图像按照步骤(1)-(3)运行得到噪声解密图像。
[0028]
作为优选，本发明提供的置乱变换公式(1.3)在原来三维不等长arnold变换公式(1.2) 的基础上进行了改动，使得在对于不等长图像的加密时，图像可以更快达到无序混乱的状态，在视觉效果上有更好的效果；
[0029]
作为优选，本发明应用公式(1.4)给已置乱图像进行加噪，再通过逆变换得到噪声解密图像，作为参照对象与未加噪图像的恢复效果进行对比。
[0030]
作为优选，本发明提供的置乱置乱变换公式(1.3)在原来三维不等长arnold变换公式 (1.2)的基础上进行了改动，使得对于噪声加密图像的恢复效果比原来算法的回复效果更好，可以还原加密图像的更多信息；
[0031]
本发明方法结合灰度变换和位置变换，提出一种改进的三维不等长arnold图像置乱方法，本发明在视觉效果、置乱程度、加噪后图像的恢复效果等方面都取得了较好的结果。
附图说明
[0032]
下面结合附图和本发明的实施方式进一步详细说明：
[0033]
图1为一种改进的三维不等长arnold图像置乱方法的流程示意图
[0034]
图2为一种改进的三维不等长arnold图像置乱方法的初始图像
[0035]
图3为一种改进的三维不等长arnold图像置乱方法的置乱图像和解密图像
[0036]
图4为一种改进的三维不等长arnold图像置乱方法对置乱图像加噪的噪声置乱图像和噪声解密图像
具体实施方式
[0037]
下面结合实施实例对本发明做进一步详细阐述，具体步骤如下：
[0038]
本发明采用尺寸为481
×
321(单位：像素)的不等长landscape彩色图像为例，即为初始图像，置乱过程如下：
[0039]
读入彩色图像，将该图像分为r、g、b三个通道，作为三维空间中的z轴平面，使原本的二维图像变成三维图像；将该图像的宽当作x轴，高当作y轴，r、g、b三通道当作z轴，根据变换公式(1.3)进行像素点坐标映射；按照剪切公式(1.4)给置乱图像加上噪声得到噪声图
像；根据初始图像的置乱过程对噪声图像进行同样的操作，得到噪声加密图像；
[0040]
逆置乱过程如下：
[0041]
将置乱图像根据变换公式(1.5)进行坐标映射；重复逆变换过程10次得到解密图像；根据置乱图像的逆变换过程对噪声加密图像进行同样的操作得到噪声解密图像。
[0042]
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细的说明，但是本发明不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。


技术特征：
1.一种改进的三维不等长arnold图像置乱方法，包括二维彩色图像转换到三维空间的方法(1)、置乱变换改进方法(2)、置乱图像加噪方式(3)和逆置乱变换改进方法(4)，通过传入尺寸为481
×
321(单位：像素)的不等长landscape彩色图像，对图像进行置乱、加噪以及逆置乱等操作，达到加密图像和完整恢复图像的效果。2.根据权利要求1所述的二维彩色图像转换到三维空间的方法(1)，其特征在于：以二维彩色图像的宽为x轴，高为y轴，r、g、b三通道为z轴，将二维图像像素坐标转换到三维像素坐标空间，使得图像可以将进行3维置乱变换。3.根据权利要求1所述的置乱变换改进方法(2)，其特征在于：将原来3维不等长arnold置乱变换方法进行改进，改变了图像的坐标映射规则，使得图像置乱过程更快，视觉效果和置乱程度更好。4.根据权利要求1所述的置乱图像加噪方式(3)，其特征在于：将置乱图像根据如下剪切方法进行图像的信息裁剪，即完成加噪，{cp
ij
|(i∈[1,n],j∈[1,30])∪(i∈[1,n],j∈[m-30,m])∪(i∈[1,30],j∈[1,m])∪(i∈[n-30,n],j∈[1,m])其中cp
ij
为剪切部分，i,j分别为行索引和列索引，m,n分别为图像的宽和高。5.根据权利要求1所述的逆置乱变换改进方法(4)，其特征在于：将原来3维不等长arnold逆置乱变换方法进行改进，将置乱图像进行坐标恢复，其恢复效果在不等长图像上尤为明显，即使对图像进行信息裁剪，恢复图像也比传统方法更清晰，保留了更多原图像的图像信息，在图像置乱这一领域发挥更好的作用。

技术总结
本发明公开了一种改进的三维不等长Arnold图像置乱方法，包含置乱算法和逆置乱算法，其置乱算法包含：读入彩色图像，将彩色图像分为R、G、B三个通道，将三通道作为图像的z轴平面，从而将图像像素矩阵转为三维矩阵进行运算，通过改进的三维不等长Arnold置乱算法对三维像素矩阵进行坐标映射，从而得到置乱图像。其逆置乱算法包含：读入已置乱图像，根据逆置乱变换公式进行图像像素坐标映射，即可恢复图像。本发明一种改进的三维不等长Arnold图像置乱方法不仅可以置乱等长图像，对于长宽不相等的图像在视觉效果、置乱程度以及恢复效果都有不错的结果。不错的结果。不错的结果。


技术研发人员：洪炎 王艺杭 温言 苏静明
受保护的技术使用者：安徽理工大学
技术研发日：2022.05.30
技术公布日：2022/8/12