多路图像数字信息混沌加密的方法与流程

本发明涉及一种图像混沌加密的方法，具体是一种多路图像数字信息混沌加密的方法。

背景技术：
如何在连续或离散时间系统中生成混沌的问题进而成为了近年来自然科学和工程应用领域中的一个前沿热点课题。1994年，美国科学家Schiff等人在知名国际期刊Nature上发表文章并首次在国际上提出了混沌反控制的概念。两年后的1996年，有关离散时间系统的反控制问题研究在国际上取得了实质性的进展。离散时间系统的反控制方法建立在混沌存在性判据的基础之上，提出了具有通用性和普适性的一般设计准则，例如获得成功的Chen-Lai算法和Wang-Chen算法等，从而在理论上解决了离散时间系统反控制的一般问题。数字通信系统以其抗干扰能力强，易于加密，易于大规模集成等特点，在通信行业中将取代模拟通信而占主要地位。而且，数字混沌系统比较模拟混沌系统具有结构简单，易于实现，保密性能高等优势，混沌信号是由确定性方程产生的类似随机宽频谱信号，具有优良的相关特性。混沌序列复杂、难以长期预测，并且只需更改系统参数和状态初值即可获得大量的优良序列，因此混沌序列特别适合在保密通信和信息加密领域中应用。因而，混沌技术在数字保密通信中的应用研究也就更具有现实意义。目前，数字混沌保密通信技术的研究大都基于一维和二维混沌系统。有研究表明低维混沌系统保密性是不够的，而且很难实现自同步。因此有必要探索基于高维混沌系统乃至超混沌的自同步加密方法。目前，大部分的混沌系统实现对单路图像的加密，因此对于如何构建高维混沌系统产生多路混沌序列对多幅图像同时进行加密是一个研究的方向。国家知识产权局于2012年12月19日公开了公开号为CN102831569A，专利名称为一种面向手机服务的数字图像选择加密方法的发明专利文献，该专利文献：包括待加密分数小波低频子带的选择、图像混沌加密密钥的确定、图像的加密操作及加密质量评价四部分；其中，图像混沌加密密钥的确定，要实现分数小波变换和混沌加密需要确定以下参数：(1)混沌序列的控制参数α，由用户给出；(2)图像小波变换的尺度β，由用户给出；(3)分数小波变换的分数阶数γ，且满足0<γ<2，由用户给出；(4)混沌序列初始值X(0)，它的确定过程如下：步骤1.设原始图像是m比特的，从被选择的子带中任选5个像素点P1,P2,P3,P4,P5，由这5个点的像素值来获得该子带的混沌序列初始值；步骤2.按照下列公式计算所选小波子带的混沌序列初始值：上述四个参数α,β，γ,X(0)构成所选子带图像加密的密钥；图像的加密操作如下：步骤1.对于所选择的小波低频子带，设该子带的大小是N1×N2，利用这个分数小波低频子带生成的系列初始值X(0)，按照如下映射生成混沌序列：X(n+1)＝cos(α·arccos(X(n))(4)，其中，α是控制参数，且X(n)∈[-1,1]，此时所生成的序列是混沌的，由于这个混沌序列是双极性的，按照下述变换将其转化成[0,1]内的单极性序列：这个序列的长度取为N1×N2，并将这N1×N2个数值转换成N1行N2列的混沌矩阵，记为U；步骤2.对所选择的分数小波低频子带进行加密，加密按如下公式计算：其中，是XOR运算，ValueNew(i,j)、ValueOld(i,j)分别是所选择分数小波低频子带加密后与加密前在第i行第j列的低频子带分数小波系数；步骤3.用加密后的分数小波低频子带替换加密前的分数小波低频子带之后，进行小波逆变换，获得初始加密图像；步骤4.将所获得的初始加密图像分割成4幅大小相同的子图像，之后对这4幅子图像依照顺时针方向做轮换处理后，所获得的图像就是最终的加密图像。上述专利的技术方案与本专利的技术方案完全不同。

技术实现要素：
本发明的目的是提供一种保密性强的多路图像混沌加密的方法。该方法通过FPGA硬件设计七维混沌离散系统，使其在一定精度下产生多路数字混沌序列，采用该数字混沌序列作为密钥对多路图像信息同时进行加密，产生多路混沌加密信号。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：多路图像数字信息混沌加密的方法，包括以下步骤：A、建立n维离散混沌系统动力学方程，对n-m+1幅图像进行加密的公式如下：其中，为反馈控制器，式中σj为增益控制参数，εj为gj输出的上界，1表示反馈控制变量的个数，m＝1,2,……n；B、利用上述的n维离散混沌系统动力学方程，随着k值的不断增加，进行不断地迭代，将迭代产生的n-m+1个实数混沌序列xm(k),xm+1(k),,xn(k)取整后，通过数字信息加密器转换为二进制的数字信息；C、数字信息加密器将已读取并存贮的n-m+1幅图像的数字信息sm(k),sm+1(k),,sn(k)，调入数字信息加密器中的DDR内存中；D、加密运算：利用异或运算公式将取整后的n-m+1个实数混沌序列xm(k),xm+1(k),,xn(k)与n-m+1幅图像的数字信息sm(k),sm+1(k),,sn(k)进行异或运算，分别得到n-m+1幅图像的密文值pm(k),pm+1(k),,pn(k)；E、信息传送：数字信息加密器分别同时将n-m+1幅图像的密文值pm(k),pm+1(k),,pn(k)通过数字传输信道传送给数字信息解密器；F、数字信息解密器利用加密运算的逆运算对n-m+1个密文值pm(k),pm+1(k),,pn(k)进行解密。所述n-m+1幅图像为3～6幅图像。对3路图像数字信息混沌加密的方法如下：A、利用建立的n维离散混沌系统动力学方程,当m＝5,n＝7时,七维离散混沌系统动力学方程如下：其中，ε1＝1.8×105,σ1＝1.6×103；ε2＝1.4×105,σ2＝1.7×103；ε3＝1.9×105,σ3＝1.1×103；B、利用上述的七维离散混沌系统动力学方程，随着k值的不断增加，进行不断地迭代，将迭代产生的3个实数混沌序列x5(k),x6(k),x7(k)取整后，通过数字信息加密器转换为二进制的数字信息；C、数字信息加密器将已读取并存贮的3路图像的数字信息s5(k),s6(k),s7(k)，调入数字信息加密器中的DDR内存中；D、加密运算：利用异或运算公式将取整后的3个实数混沌序列x5(k),x6(k),x7(k)与3路图像的数字信息s5(k),s6(k),s7(k)进行异或运算，分别同时得到3路图像的密文值p5(k),p6(k),p7(k)；E、信息传送：数字信息加密器分别同时将3路图像的密文值p5(k),p6(k),p7(k)通过数字传输信道传送给数字信息解密器；F、数字信息解密器利用加密运算的逆运算对3个密文值p5(k),p6(k),p7(k)进行解密。所述信息传送的步骤E中，信息传送对3幅图像中的像素采用加密一行传送一行的信息传送方式。数字信息加密器分别同时将3路图像的第一行中的每个像素的密文值通过数字传输信道传送给数字信息解密器，然后返回步骤D中对3路图像的第二行中的每个像素进行异或运算，得到3路图像的第二行中的每个像素的密文值，然后将其传送给数字信息解密器；以此类推，完成3路图像的所有行的像素的密文值的信息传送。本发明的有益效果：(1)只利用一个七维混沌系统实现对3路图像信息同时进行加密。(2)由于采用级联闭环原理，发送端系统与接收端系统具有完全相同的驱动信号，能实现严格的同步而不受有用信息大小调制的影响，在发送端与接收端参数匹配的情况下，使解密出来的信息具有高的还原度。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：图1为七维混沌系统产生的x1(k)-x2(k)的相图；图2为数字信息加密器的七维驱动系统；图3为数字信息解密器的七维响应系统；图4为加密算法流程图；图5为解密算法流程图。具体实施方式实施例：对3路图像数字信息混沌加密的方法的硬件配置：用两块XUPVirtex-II的FPGA板分别作为数字信息加密器和数字信息解密器，采用两块FPGA开发板建立一个Server-Client模型，建立Server和Client各自的socket，作为双方通信的基础。多路驱动系统混沌加密器的FPGA板作为Client端，负责将密文信息进行发送；多路混沌响应系统解密器的FPGA板作为Server端，负责接收传输过来的密文信息。另外，数字信息传输信道采用数据报式Socket类型传输，即对应于无连接的UDP服务应用，采用了传输层的UPD协议，当服务器端接收到客户端的相关指令时，能够快速和高效地接收传输过来的图像数据。对3路图像数字信息混沌加密的方法，采用了七维混沌系统，以该系统生成加密混沌序列有以下优点：一是系统结构较一般的低维系统复杂，系统变量的实数值序列更不可预测；七维混沌系统一共有六个吸引子相图，这里以x1(k)-x2(k)相图为例，如图1所示。从图可直观看出，点的分布较为集中，为全局有界。二是该系统实现自同步，即使在驱动和响应系统初始值不一样的时候也能正确的解密，这就说明了在数据有部分传输错误的时候，将不影响效果，加密算法的密钥空间将大大高于低维混沌系统，具体的3路图像数字信息混沌加密的方法如下：A、利用建立的n维离散混沌系统动力学方程,当m＝5,n＝7时,七维离散混沌系统动力学方程如下：其中，ε1＝1.8×105,σ1＝1.6×103；ε2＝1.4×105,σ2＝1.7×103；ε3＝1.9×105,σ3＝1.1×103。B、利用上述的七维离散混沌系统动力学方程，选取x5(k),x6(k),x7(k)(为了能将信息加密器的三个变量与数字信息解密器的三个变量区分开，将信息加密器的x5(k),x6(k),x7(k)三个变量定义为七维离散混沌系统动力学方程中的其它参数与其类同；将信息解密器的x5(k),x6(k),x7(k)三个变量定义为七维离散混沌系统动力学方程中的其它参数与其类同)，三个变量迭代后产生的实数混沌序列取整后，通过数字信息加密器转换为二进制的数字信息；C、数字信息加密器将已读取并存贮的3路图像的数字信息s5(k),s6(k),s7(k)，调入数字信息加密器中的DDR内存中。具体过程为：在加密发送端，也就是数字信息加密器，将3幅160×120的24位BMP图存入其内的CF卡中，便于下一步的图像读取，然后通过其内的缓冲区，将3路图像分别读入DDR内存中；D、加密运算：利用异或运算公式将取整后的3个实数混沌序列x5(k),x6(k),x7(k)与3路图像的数字信息s5(k),s6(k),s7(k)进行异或运算，分别同时得到3路图像的密文值p5(k),p6(k),p7(k)，将p5(k),p6(k),p7(k)作为反馈控制变量作用到数字信息加密器的七维驱动系统(如图2所示)的方程上，得到数字信息加密器的七维驱动系统状态方程如下：同理，对于数字信息解密器作为数据接收端而言，将p5(k),p6(k),p7(k)作为反馈控制变量作用到数字信息解密器的七维响应系统(如图3所示)的方程上，得到如下数字信息解密器的七维响应系统状态方程：上述两个方程式中，其中控制器矩阵同时，如图4所示，具体的加密过程为：数字信息解密器的驱动系统通过反馈信息判断是否接收到图像信息，如果接收到反馈信息后，通过程序的运行分别读取3幅原始图像的第i行的第j个像素，并进行加密运算，然后判定是否是该行的最后一个像素，如果不是，则对该行的第j+1个像素进行加密运算，如果是该行的最后一个像素，则3路图像中的第i行的所有像素全部加密完毕，则进入信息传送步骤。E、信息传送：数字信息加密器分别同时将3路图像的密文值p5(k),p6(k),p7(k)通过数字传输信道传送给数字信息解密器。具体的信息传送为：对3幅图像中的像素采用加密一行传送一行的信息传送方式，换句话说，信息传送是采用以一行为单位进行传送的，数字信息加密器分别同时将3路图像的第一行中的每个像素的密文值通过数字传输信道传送给数字信息解密器，然后返回步骤D中对3路图像的第二行中的每个像素进行异或运算，得到3路图像的第二行中的每个像素的密文值，然后将其传送给数字信息解密器；以此类推，完成3路图像的所有行的像素的密文值的信息传送。F、数字信息解密器利用加密运算的逆运算对3个密文值p5(k),p6(k),p7(k)进行解密。具体如下：在Server接收端，也就是数字信息解密器，通过反馈信息判断是否接收到从数字信息加密器传输过来的密文信息，如果接收到反馈信息后，通过程序的运行分别读取3幅原始图像的第i行的第j个像素，并进行解密运算，然后判定是否是该行的最后一个像素，如果不是，则对该行的第j+1个像素进行解密运算，如果是该行的最后一个像素，则3路图像中的第i行的所有像素全部解密完毕，其解密流程如图5所示，以此类推，将继续接收从数字信息加密器发送端传输过来的i+1行的像素，以此类推，进行类似的解密运算，直到3路图像的全部像素解密完毕。以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的保护范围。