一种基于多混沌系统的明文相关图像加密方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及信息传输中的数字图像加密方法以及混沌控制和同步设计技术，属于 信息安全领域。
【背景技术】
[0002] 随着多媒体信息处理技术的广泛应用以及互联网、云计算技术的快速发展，多媒 体数据日益广泛地在因特网或云计算节点间传播和存储，信息安全问题越来越受到人们的 重视。对于图像、视频等多媒体数据来说，由于这类信息的数据量大，且相邻的数据之间具 有很强的相关性，导致传统加密技术作为一般数据加密手段对于诸如图像信息的加密显得 效率低下，不能满足实时性需要。然而，混沌信号具有对初始条件的极端敏感性、无周期性、 伪随机性等复杂特性，与保密通信及密码学之间有着天然的联系，使得混沌加密技术在大 数据量加密的场合下具有优越性，并且有更大的发展潜力。
[0003] 但是当前混沌图像加密技术普遍存在以下不足：
[0004] 以往研宄的混沌图像加密技术多半基于低维离散混沌映射，虽然低维混沌映射具 有计算开销小的优点，但是由于其形式简单、密钥空间小，迭代序列的复杂度不高，导致低 维密码系统安全性不高。然而，现存采用高维混沌系统的图像加密技术，虽然其密钥空间更 大，非线性行为更复杂也更难以预测，但是他们的密钥流产生方式大多相对独立，与明文图 像信息毫无关联，密文图像的生成又单纯依赖于密钥，导致无法有效抵御常见的攻击技术， 如差分攻击技术。同时，采用多混沌系统的图像加密技术也不同程度上具有以上的问题。
[0005] 本发明的先进性体现在：首创性地将明文相关置乱技术、多混沌系统和感知器模 型三者相结合，兼顾了高维混沌系统安全性强的优点，构建了明文与密钥之间的相关性，在 三个不同的部件中引入了不同的种子密钥，增大了密钥空间，有效地降低了密钥之间的相 关性，图像置乱效果更佳、像素扩散程度更高，具有抵抗穷举攻击、统计攻击、差分攻击等常 见攻击的能力，可以满足图像加密技术的安全性需求。
【发明内容】
[0006] 针对上述存在的问题，本发明提出了一种基于多混沌系统的明文相关图像加密方 法，将明文相关置乱技术、多混沌系统和感知器模型三者相结合，兼顾了高维混沌系统安全 性强的优点，采用了置乱-扩散-扩散的算法结构，构建了明文与密钥之间的相关性，在三 个不同的部件中引入了不同的种子密钥，增大了密钥空间，有效地降低了密钥之间的相关 性，图像置乱效果更佳、像素扩散程度更高，具有抵抗穷举攻击、统计攻击、差分攻击等常见 攻击的能力。
[0007] 本发明所述的基于多混沌系统的明文相关图像加密方法，其特征在于，包括像素 置乱过程、第一次像素扩散过程、二次扩散密钥生成过程和第二次像素扩散过程：
[0008] (1)像素置乱过程
[0009] ①发送端接收到明文图像，将其转化为明文图像序列{At，计算明文图像所有像 素点的像素值之和，并求出其像素点的平均像素值，对所求得的平均像素值进行归一化操 作，得到帐篷混沌映射的初始值e，即种子密钥I ;
[0010] ②发送端利用帐篷混沌映射迭代L次得到随机实数序列kt，即密钥流I，将此 随机实数序列的值由小到大重新排列，得到新的实数序列K；^，记录其中的置换下标序列 {乃1〉
[0011] ③发送端将明文图像序列hit,按照W =八的方式进行置换，得到置换后的整数 序列丨At,，完成置乱操作。
[0012] (2)第一次像素扩散过程
[0013] ①发送端使用混沌分片线性映射，预先设定映射的初始值，即种子密钥III，对混沌 分片线性映射进行L次混沌迭代，得到随机实数序列丨&匕，即密钥流III;
[0014] ②发送端对此随机实数序列进行取整操作，得到新的随机整数序列沐匕；
[0015] ③发送端将之前得到的整数序列IaX,与k.L进行模256的加法，得到整数序列 kt，完成第一次扩散操作。
[0016] (3)二次扩散密钥生成过程
[0017] ①发送端运用四阶龙格-库塔方法，设定步长为0.001，基于混沌吸引子理论，利 用离散化方法，使用陈氏高维超混沌系统，设置系统的初始值;
[0018] ②发送端将陈氏高维超混沌系统迭代4001次，扔掉前4000次的值，保留第4001 次生成的系统值作为加密系统的迭代序列初始值即种子密钥II;
[0019]③发送端利用初始值（X(1，~2(|，V(l)，对陈氏高维超混沌系统进行8次混沌迭代，得 到可用的四维数组（Xk，Y k，Zk，Vk)，k G [1，8];
[0020] ④发送端对上述四维数组中的每一个数值进行取整操作，得到新的四维数组 (Xk，yk，Zk，Vk)，ke[1，8]，再对此四维数组进行筛选操作，得到三维数组（Blk，B2k，B3k)， kG[1，8]，即密钥流II;
[0021] ⑤发送端将每一次得到的最后一组迭代四维数组（x8, Y8, z8, v8)作为下一次调用 此模块的迭代初始值。
[0022] (4)第二次像素扩散过程
[0023] ①发送端针对之前产生的整数序列中每一个数值Si，将三维数组 (B lk，B2k，B3k)，k G [1，8]按照一种非线性变化规则，变换得到（KeyX (k)，KeyY (k)，KeyZ (k))， k G [1，8]，作为感知器模型中权值的参数；
[0024] ②发送端针对上一步产生的三维数组，按照另外一种非线性变化规则，变换得到 (wlk，w 2k，w3k)，k G [1，8]，作为感知器模型中每个神经元的权值，并得到感知器模型中每个 神经元的阈值9k，k G [1，8];
[0025] ③发送端将整数序列k.L中的十进制元素Si转化为8比特二进制序列S ik， ke [1，8]，按照阈值选择策略，得到8比特二进制序列cik，ke [1，8]，再进行进制转换得 到十进制密文像素Ci。
[0026] 具体的步骤如下（流程参见图6):
[0027] 步骤1 :获取明文图像的像素数据信息，将明文图像的像素数据信息处理后得到 种子密钥I，利用帐篷混沌映射迭代L次，产生密钥流I ，转至步骤2 ;
[0028] 步骤2 :读取密钥流I kt，将此随机实数序列的值由小到大重新排列，得到新的 实数序列k ^，记录其中的置换下标序列，按照K = &的方式进行置换，得到置换后 的明文图像像素序列U't，，转至步骤3 ;
[0029] 步骤3 :使用混沌分片线性映射，预先设定映射的初始值，即种子密钥III，对混沌 分片线性映射进行L次混沌迭代，得到随机实数序列，即密钥流III，对此随机实数序 列进行取整操作，得到新的随机整数序列(ML，获取置换后的明文图像像素序列丨以二，将 之前得到的整数序列{Mt,与进行模256的加法，得到整数序列k ^，完成第一次扩 散操作转至步骤4 ;
[0030] 步骤4 :运用四阶龙格-库塔方法，设定步长为0. 001，将陈氏高维超混沌系统迭代 4001次，扔掉前4000次的值，保留第4001次生成的系统值作为加密系统的迭代序列初始值 (X。，yd, Zd, vj，将此初始值作为种子密钥II，转至步骤5 ;
[0031] 步骤5 :进行密钥扩展，利用初始值（Xd, Zd, vj，对陈氏高维超混纯系统进行8 次混沌迭代，得到可用的四维数组（Xk，Yk，Z k，Vk)，k e [1，8]，对上述四维数组中的每一个数 值进行取整操作，得到新的四维数组（xk，yk， Zk，vk)，ke [1，8]，再对此四维数组进行筛选 操作，产生三维数组（Blk，B2k，B 3k)，k e [1，8]，作为密钥流II，将每一次得到的最后一组迭代 四维数组（X8, Y8, Z8, V8)作为下一次调用此模块的迭代初始值，转至步骤6 ;
[0032] 步骤6 :进行第二次扩散操作，读取整数序列{Vt和三维数组（Blk，B2k，B3k)， ke [1，8]，任取整数序列卜,匕中任意位置的数值sp将三维数组（Blk，B2k，B3k)，ke [1，8] 按照一种非线性变化规则，得到（KeyX(k)，KeyY(k)，KeyZ(k))，kG [1，8]，进而，按照另外 一种非线性变化规则，得到（wlk，w2k，w3k)，k G [1，8]，作为感知器模型中每个神经元的权值， 并得到感知器模型中每个神经元的阈值0k，ke [1，8]，按照阈值选择策略，产生对应的密 文像素Ci，转至步骤7;
[0033] 步骤7 :重复步骤5-步骤6,直到整个明文图像加密完成，输出密文图像，加密结 束。
[0034] 本发明的有益效果：
[0035] 本发明首次提供了一种基于多混沌系统的明文相关图像加密方法，将明文相关置 乱技术、多混沌系统和感知器模型三者相结合，采用了置乱-扩散的算法结构，兼顾了高维 混沌系统安全性强的优点，构建了明文与密钥之间的相关性，在三个不同的部件中引入了 不同的种子密钥，增大了密钥空间，有效地降低了密钥之间的相关性，图像置乱效果更佳、 像素扩散程度更高，具有抵抗穷举攻击、统计攻击、差分攻击等常见攻击的能力，保证了在 不安全信道中图像传输的安全性。本发明在数字多媒体信息安全领域有广泛的应用前景， 可以应用在图像信息的处理和数字视频、音频等多媒体信息的加密实现中，以及保密硬件 存储设备的静态加密、计算机终端的接收或者发射端口等工业和技术生产中。
【附图说明】
[0036] 图1为本发明的整体结构示意图；
[0037] 图2为像素置乱过程示意图；
[0038] 图3为第一次像素扩散过程示意图；
[0039] 图4为二次扩散密钥生成过程示意图；
[0040] 图5为第二次像素扩散过程示意图；
[0041] 图6为本发明的方法流程图；
[0042] 图7为密钥敏感性测试图；
[0043] 图8为统计直方图；
[0044] 图9为相邻像素相关性测试图。
[0045] 具体实施方法
[0046] 具体实施步骤如图1总体结构示意图和图6方法流程图所示：
[0047] 步骤1 :获取明文图像的像素数据信息，将明文图像的像素数据信息转化为明文 图像序列U匕，计算明文图像所有像素点的像素值之和，并求出其像素点的平均像素值， 对所求得的平均像素值进行归一化操作，得到帐篷混沌映射的初始值e，作为种子密钥I， 利用帐篷混沌映射迭代L次得到随机实数序列k.t，产生密钥流I k匕，转至步骤2 ;
[0048] 步骤2 :读取随机实数序列k.L，将此随机实数序列的值由小到大重新排列，得到 新的实数序列，记录其中的置换下标序列丨:>，,匕，将明文图像序列丨d,按照w =&的 方式进行置换操作，得到置换后的明文图像像素序列{p；!,，转至步骤3 ;
[0049] 步骤3:获取置换后的明文图像像素序列，使用混沌分片线性映射，预先设定 映射的初始值，即种子密钥III，基于混沌吸引子理论，利用离散化方法，对混