基于四进制循环移位的图像加密方法

1.本发明涉及一种信息加密技术，特别是涉及一种图像加密方法。


背景技术：

2.如今，计算机和网络技术的高速发展给人们的生活带来了翻天覆地的变化，各种数字信息被广泛地应用、传播。其中，多媒体信息特别是数字图像的应用场景涉及很多领域。图像可以承载很多隐私信息，而军事、商业等特殊领域的图像信息更是对保密性有很高的要求。由于图像在网络中传输容易被攻击者非法攻击，导致这些信息泄露和篡改，面临巨大的威胁。因此，图像加密已成为学术界和工业界的热点问题。
3.数字图像具有直观、生动、形象、信息量大、像素相关性高和冗余度高等特征。为保障图像内容的网络存储和传输安全，人们提出了多种图像加密方法。然而，目前的图像加密方法往往存在加密容量有限、加密效率低或安全性弱等问题。
4.为保护图像网络传输和存储的安全，定义了四种循环移位扩散方法，在四进制中进行变换，提出了一种基于四进制循环移位扩散的图像加密方法。该方法随机选择一种循环移位方法进行扩散操作，提高了加密方法的效率和安全性。


技术实现要素：

5.本发明的目的：针对现有的图像加密方法存在加密容量有限、加密效率低或安全性弱等问题，提出一种基于四进制循环移位扩散的图像加密方法。
6.本发明的技术方案：为实现上述发明目的，采用的技术方案为基于四进制循环移位扩散的图像加密方法，令发送方为alice，接收方为bob；alice的加密步骤详述如下：1. 基于四进制循环移位的图像加密方法，其特征在于，加密过程如下：步骤1：生成混沌序列：令原始图像p1，其大小为m
×
n，随机选取logistic映射的初始值x0和控制参数u1，以及初始值y0和控制参数u2，利用公式（1）分别迭代1000+mn次并抛弃前1000个序列值，可得两个长度均为mn的混沌序列x={xi}和y={yi}；x
n+1
=u(1
ꢀ‑ꢀ
x n
)
×
xn，
ꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）其中，迭代值xn∈(0, 1)，控制参数u∈(3.57, 4]；步骤2：混沌序列整数化：计算，zi=mod(floor(yi×
10
14
), 4)，i=1, 2, ..., mn，
ꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）其中，yi∈y，mod(
·
)为取模运算函数，floor(
·
)为向下取整函数；可产生一个长度为mn的整数混沌序列z={zi}；步骤3：混沌序列排序：利用公式（3）对x进行排序，[c, s] = sort(x)，
ꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）其中，sort(
·
) 是升序排序函数，c是排序后的新混沌序列，s为索引向量；步骤4：图像置乱：将p1转化成一个大小为mn的向量p2，利用s和公式（4）改变p2中的元素位置，可得一个长度为mn的置乱向量p3，
p
3i = p
2si
，i=1, 2,
ꢀ…
, mn，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（4）其中，p2={ p
2i }，p3={ p
3i }，si∈s ；步骤5：十进制转四进制：将p3中每个十进制像素值转化成4位四进制数表示，可得一个长度为mn的四进制向量p
4 ={ p
4i }；步骤6：图像扩散：利用zi∈z的不同取值，定义公式（5）所示的4种循环移位方式，令a
i1
, a
i2
, a
i3
和 a
i4
分别为p
4i
的四进制位，，
ꢀꢀꢀꢀꢀ
（5）对p4中所有像素值进行四进制循环移位操作，可得一个长度为mn的扩散向量p5={ p
5i }；步骤7：四进制转十进制：将p5中每4位四进制数转成十进制像素值，可得一个大小为mn的向量p6，再将p6转换成一个大小为m
×
n的矩阵，即为加密图像。
[0007]
在解密过程中，利用相同的混沌序列对加密图像p5进行解密操作，可恢复出原始图像p1；bob的解密过程是alice加密的逆过程。
[0008]
有益效果：本发明针对目前的图像加密方法存在的加密容量有限、加密效率低或安全性弱等问题，提出一种基于四进制循环移位扩散的图像加密方法。主要贡献有以下3点：（1）定义了循环移位扩散选择函数，给出四种循环移位方式，随机选择一种，在四进制中进行变换实现循环移位扩散，以达到改变像素值大小的目的，解决了一般扩散方法（比如异或操作）变换方式单一的问题；（2）基于定义的循环移位扩散选择函数，提出了一种基于四进制循环移位扩散的图像加密方法；（3）实验结果和方法分析表明：新方法加密效果良好，安全性强且高效，可实现图像内容的网络传输和存储安全。
附图说明
[0009]
图1：基于四进制循环移位扩散的图像加密流程图；图2：原始图像；图3：加密图像。
具体实施方式
[0010]
图1是基于四进制循环移位扩散的图像加密流程图。
[0011]
采用的编程软件为matlab r2019b，任意选取图2所示的灰度图像p1作为原始图像。采用提出的基于四进制循环移位扩散的图像加密方法，alice的加密过程详述如下。
[0012]
步骤1：生成混沌序列：令原始图像p1，其大小为512
×
512，随机选取logistic映射的初始值x
10
=0.85和y
10
=0.67与控制参数u1=3.71和u2=3.83，利用公式（1）分别迭代1000+512
×
512次并抛弃前1000个序列值，可得两个长度为512
×
512的混沌序列x1={x
1i
}和y1={y
1i
}，i=1, 2, ..., 262144。
[0013]
步骤2：混沌序列整数化：按公式（2）对y
1i
进行计算，产生长度为512
×
512的整数混
沌序列y2={y
2j
}。
[0014]
步骤3：图像置乱：将p1转化成一维向量p2，然后利用公式（3）中sort函数排序，改变矩阵的像素位置，可得长度为512
×
512的置乱后的向量p3。
[0015]
步骤4：十进制转四进制：将p3中每个十进制像素值转化成4位四进制数表示，可得一个长度为512
×
512的四进制向量p
4 ={ p
4i }。
[0016]
步骤5：图像扩散：利用zi∈z的不同取值，定义公式（5）所示的4种循环移位方式，对p4中所有像素值进行四进制循环移位操作，可得一个长度为512
×
512的扩散向量p5={ p
5i }。
[0017]
步骤6：四进制转十进制：将p5中每4位四进制数转成十进制像素值，可得一个大小为512
×
512的向量p6，再将p6转换成一个大小为512
×
512的矩阵，即为加密图像，如图3所示。
[0018]
在解密过程中，利用相同的混沌序列，对加密图像进行解密操作，可得原始图像，同图2所示。bob的解密过程是alice加密的逆过程。