一种基于一维元胞自动机的灰度图像置乱方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于一维元胞自动机的灰度图像置乱方法，属于信息安全领域中 的图像保密技术。
【背景技术】
[0002] 数字图像置乱是指将图像搅乱，消除位置或灰度相关性，从而使人类或计算机系 统无法理解原始图像所表达的真实含义。数字图像的置乱技术，可以看做数字图像加密的 一种途径，也可以用作数字图像隐藏、数字水印图像植入和数字图像秘密共享的预处理和 后处理过程。
[0003] 常见的图像置乱方法有Arnold变换、Fibonacci-Q变换、幻方变换、骑士巡游变 换、Hilbert曲线、混沌排序方法等。其中，混沌排序的图像置乱方法是先利用混沌映射产 生伪随机序列，然后对产生的伪随机序列进行排序得到置换地址集合，最后利用置换地址 集合完成图像的置乱。然而，基于混沌的排序方法通常需要实值运算，因此效率不高。
【发明内容】
[0004] 发明目的：本发明提供一种基于一维元胞自动机的灰度图像置乱方法，与基于混 沌排序的图像置乱方法相比，一维元胞自动机由于只需要进行布尔运算和整数运算，并且 元胞自动机的并行运算的特点使得在软硬件实现上更为简单和高效。
[0005] 技术方案：一种基于一维元胞自动机的灰度图像置乱方法，具体实施步骤如下：
[0006] 步骤1 :提取明文灰度图像的二维像素矩阵IMXN，M是图像的宽度，N是图 像的高度，均以像素计；将明文灰度图像的二维像素矩阵Imxn转换为一维像素序列 Pi，P2，· · ·，Pmxn;
[0007] 步骤2 :令一维元胞自动机的长度为256个元胞，该一维元胞自动机的演化规则如 下：
[0009] 式中，f( ·)为布尔函数，.s丨为第i个元胞在t时刻的状态，i的取值为1-256, 为第i-Ι个元胞在t时刻的状态，为第i-2个元胞在t时刻的状态，4+1为第i+Ι个元 胞在t时刻的状态，:为第i+2个元胞在t时刻的状态，Sf1为第i个元胞在t+Ι时刻的 状态，所述状态的取值为〇或1 是异或运算符，?是与运算符，-是非运算符；元胞的边 界米用周期型，即~二 S256 ??? 二 S255，S257 = Λ\，tl?258 =心；
[0010] 步骤3,设置密钥K，密钥K为256比特的二进制序列...，k256;同时，设置需 要产生的伪随机序列R的长度为L比特，L = 8XMXN ;
[0011] 步骤4,将密钥K作为一维元胞自动机在t = 0时刻的全局状态.， 一维元胞自动机根据步骤2中的演化规则向前迭代，依次产生不同t时刻的全局状态 5(?...,士6 ;取被4除余1的时刻的全局状态作为二进制序列输出，当输出的二进制序列 长度大于或等于L比特时，一维元胞自动机停止迭代；
[0012] 步骤5,若步骤4中一维元胞自动机输出的二进制序列长度等于L比特，则将该二 进制序列直接作为伪随机序列R输出；若一维元胞自动机输出的二进制序列长度大于L比 特，则将长度L之后的比特舍去后的二进制序列作为伪随机序列R输出；从而完成伪随机序 列R的生成。
[0013] 步骤6,将伪随机序列R中每8位二进制转换成相应的十进制数，得到一个长度为 MXN的伪随机序列Xl，x2, ...，Xmxn，然后通过排序变换，将伪随机序列Xl，x2, ...，Xmxn中的 MXN个值由小到大排序，形成有序序列?,...,，记录伪随机序列中每个11在有序序 列中的位置编号h，从而形成置换地址集合T = It1, t2,. . .，tMXN};
[0014] 步骤7,根据置换地址集合T = 对明文灰度图像的一维像素 序列Pi，P2,. . .，PmxN?行置换，即将第i个像素 P i置换到t i位置，i = 1，2,. . .，MXN ; 置换完成后，得到置换过后的一维像素序列P' dP' 2，...，P' MXN，将一维像素序列 p' i，p' 2，...，p' MXN转换为二维像素矩阵，即得到了置乱后的密文图像。
[0015] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0016] 本发明与基于混沌排序的图像置乱方法相比，基于一维元胞自动机的图像置乱方 法由于只需要进行布尔运算和整数运算，并且元胞自动机的并行运算的特点使得在软硬件 实现上更为简单和高效。
【附图说明】
[0017] 图1是明文图像；
[0018] 图2是置乱过后的密文图像。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价 形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0020] 在本发明一种基于一维元胞自动机的灰度图像置乱方法的一个实施例中，明文图 像选用大小为256X256的灰度图像，灰度图像的每一个像素由8比特组成，如图1所示。依 据本发明的技术方案，按照以下步骤进行。
[0021] 步骤1 :提取明文灰度图像的二维像素矩阵I256x256，图像的宽度为256个像素， 图像的高度为256个像素；将明文灰度图像的二维像素矩阵I256x256转换为一维像素序列 Pi，P2，· · ·，P65536;
[0022] 步骤2 :令一维元胞自动机的长度为256个元胞，该一维元胞自动机的演化规则如 下：
[0024] 式中，f(·)为布尔函数，丨为第i个元胞在t时刻的状态，i的取值为1-256, .1C1 为第i_l个元胞在t时刻的状态，I2为第i-2个元胞在t时刻的状态，为第i+1个元胞 在t时刻的状态，感2为第i+2个元胞在t时刻的状态，4+?为第i个元胞在t+Ι时刻的状 态，所述状态的取值为〇或1 是异或运算符，?是与运算符，-是非运算符；元胞的边界 采用周期型，即
[0025] 步骤3,设置密钥K，密钥K为256比特的二进制序列1^土3, . . .，k256;同时，设置需 要产生的伪随机序列R的长度为L = 524288比特；
[0026] 步骤4，将密钥K作为一维元胞自动机在t = 0时刻的全局状态.:·，*4?，： 一维元胞自动机根据步骤2中的演化规则向前迭代，依次产生不同t时刻的全局状态 ;取被4除余1的时刻的全局状态作为二进制序列输出，当输出的二进制序列 长度大于或等于L比特时，一维元胞自动机停止迭代；
[0027] 步骤5,若步骤4中一维元胞自动机输出的二进制序列长度等于L比特，则将该二 进制序列直接作为伪随机序列R输出；若一维元胞自动机输出的二进制序列长度大于L比 特，则将长度L之后的比特舍去后的二进制序列作为伪随机序列R输出；从而完成伪随机序 列R的生成。
[0028] 步骤6,将伪随机序列R中每8位二进制转换成相应的十进制数，得到一个长度为 65536的伪随机序列Xl，x2,. . .，X65536，然后通过排序变换，将伪随机序列Xl，x2,. . .，％5536中 的65536个值由小到大排序，形成有序序列?,.,.,.?，记录伪随机序列中每个X1在有序 序列中的位置编号h，从而形成置换地址集合T = It1, 七2, · · ·，；
[0029] 步骤7,根据置换地址集合T= {Λ，?2，...，?65536}对明文灰度图像的一维像素 序列Pi，p2,. . .，Pks36进行置换，即将第i个像素 P i置换到t i位置，i = 1，2,. . .，65536 ; 置换完成后，得到置换过后的一维像素序列P' dP' 2，...，P' 65536，将一维像素序列 P' 2，...，P< 65536转换为二维像素矩阵，即得到了置乱后的密文图像，如图2所示。
【主权项】
1. 一种基于一维元胞自动机的灰度图像置乱方法，其特征在于，所述方法包括以下处 理步骤： 步骤1:提取明文灰度图像的二维像素矩阵IMXN，M是图像的宽度，N是图像的高度，均 以像素计；将明文灰度图像的二维像素矩阵Imxn转换为一维像素序列Pi，P2, ...，Pmxn; 步骤2:令一维元胞自动机的长度为256个元胞，该一维元胞自动机的演化规则如下：步骤3,设置密钥K，密钥K为256比特的二进制序列kik2k3,. . .，k256;同时，设置需要产 生的伪随机序列R的长度为L= 8XMXN比特； 步骤4,将密钥K作为一维元胞自动机在t=O时刻的全局状态矸g56，一维元胞 自动机根据步骤2中的演化规则向前迭代，依次产生不同t时刻的全局状态;取 被4除余1的时刻的全局状态作为二进制序列输出，当输出的二进制序列长度大于或等于L比特时，一维元胞自动机停止迭代； 步骤5,若步骤4中一维元胞自动机输出的二进制序列长度等于L比特，则将该二进制 序列直接作为伪随机序列R输出；若一维元胞自动机输出的二进制序列长度大于L比特，则 将长度L之后的比特舍去后的二进制序列作为伪随机序列R输出；从而完成伪随机序列R 的生成。 步骤6,将伪随机序列R中每8位二进制转换成相应的十进制数，得到一个长度为MXN的伪随机序列X1,x2, ...，Xmxn，然后通过排序变换，将伪随机序列Xl，x2, ...，Xmxn中的MXN 个值由小到大排序，形成有序序列1又....,V:;，记录伪随机序列中每个X1在有序序列 中的位置编号L，从而形成置换地址集合T=It1,t2,. . .，tMXN}; 步骤7,根据置换地址集合T= 对明文灰度图像的一维像素序 列PuP2,...，pMXN进行置换，即将第i个像素p;置换到t;位置，i= 1，2,...，MXN; 置换完成后，得到置换过后的一维像素序列P'dP' 2，...，P' MXN，将一维像素序列 p'i，p' 2，...，p'MXN转换为二维像素矩阵，即得到了置乱后的密文图像。
【专利摘要】本发明公开了一种基于一维元胞自动机的灰度图像置乱方法，该方法首先提取明文灰度图像的像素矩阵并转换为一维像素序列，然后利用一维元胞自动机的迭代产生伪随机序列，对伪随机序列排序得到置换地址集合，接着利用置换地址集合对明文灰度图像的一维像素序列进行置换，最后将置乱过后的一维像素序列转换成二维像素矩阵，得到置乱过后的密文图像。本发明采用一维元胞自动机实现灰度图像的置乱，不仅具有良好的置乱效果，而且可以避免实值运算提高算法效率。
【IPC分类】G06T1/00
【公开号】CN105046639
【申请号】CN201510479006
【发明人】平萍, 毛莺池, 戚荣志, 许国艳, 吕鑫
【申请人】河海大学
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年8月6日