一种抗选择明文攻击的图像加密方法及系统

本发明属于多媒体数据加密，具体涉及一种抗选择明文攻击的图像加密方法及系统。

背景技术：

1、随着互联网时代的快速发展，互联网成为了最大的信息传递平台，近年来随着各种安全漏洞的出现，导致人们对于通信安全的重视程度迅速增加。图片作为人们通信时经常使用的信息传递手段，其具有蕴含的信息量大、关联性强等特点，如何快速、安全地加密图像成为目前主流的研究方向。优秀的随机序列产生算法是图像加密算法的基础，但优秀的图像加密算法还要依靠更加复杂且随机的加密过程。由于dna编码运算具有高存储密度、高并行性以及抗攻击效果好等特点，并且采用dna编码运算的加密算法往往都展现出了优秀的加密性能，在密码学中具有很好的应用前景。很多人提出了运用各种不同的混沌系统和dna编码运算结合的加密算法，实现了良好的加密效果。

2、但是密钥和明文之间缺少联系，容易被选择明文攻击破解，利用明文与密钥没有联系的缺点，可以使用对特定区别的明文图像加密的方式得到等效加密矩阵，从而破解算法。

3、为抵抗选择明文攻击，加强明文图像和加密过程的联系，现有技术中提出了使用sha-256或md5等散列函数的方案，比如公开号为cn113538203a的发明专利利用sha-256哈希函数计算明文图像的哈希值，根据明文图像的哈希值用来生成混沌系统的初值，加强了明文和密钥之间的联系，明文发生任何细微的变化都将产生截然不同的密文图像，具有一定的抗选择明文能力。但是，以上加密方案中每次加密明文图像都需要重新产生密钥，意味着加密方需要不断给解密方传递密钥，这导致这些方案本质上成为了一种一次一密的图像加密算法。众所周知，一次一密算法的密钥分配问题十分困难，大量的密钥传输在实际应用中极为不便，因此必须研究出密钥可以重复使用而加密效果类似一次一密的图像加密方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出了一种抗选择明文攻击的图像加密方法及系统，用于解决现有的抗选择明文攻击的图像加密方法密钥不能重复使用的问题，同时实现类似一次一密加密效果。

2、本发明第一方面，公开一种抗选择明文攻击的图像加密方法，所述方法包括：

3、使用sha-256函数计算明文图像的哈希值，产生一个时间戳，根据所述哈希值、时间戳信息及第一密钥生成混沌映射的初值或参数；

4、基于混沌映射的初值或参数，通过任意的基于混沌系统的伪随机数产生器产生第一伪随机序列和第二伪随机序列；

5、根据第一伪随机序列产生多个随机坐标点，根据多个随机坐标点对明文图进行置乱操作，得到置乱图像；

6、基于第二伪随机序列，利用dna编码和dna运算对置乱图像进行扩散操作，并通过dna解码得到扩散图像；

7、通过第二密钥产生第三伪随机序列，并结合中国剩余定理，扩展扩散图像的大小，将明文图像的哈希值隐藏到扩展的扩散图像中，得到隐藏图像；

8、根据第三密钥，通过基于混沌系统的伪随机数产生器产生一张噪声图像并与隐藏图像作异或操作，得到最终的密文图像。

9、在以上技术方案的基础上，优选的，所述根据所述哈希值及时间戳及第一密钥生成混沌映射的初值或参数具体包括：

10、将所述哈希值h与所述时间戳异或后的值，记作h值h＝(h1,h2,h3,...,h15,h16)；

11、获取第一密钥α，根据h值和第一密钥α生成混沌映射的初值或参数α1，公式如下：

12、

13、其中，为异或运算符。

14、在以上技术方案的基础上，优选的，所述根据第一伪随机序列产生多个随机坐标点，根据多个随机坐标点对明文图进行置乱操作，得到置乱图像具体包括：

15、根据第一伪随机序列a按下式产生m×n个随机坐标点(xk,yk)：

16、

17、其中，a2k-1、a2k分别是a中第2k-1个、第2k个元素的值，mod(·)为取模运算，m×n代表明文图像的大小；

18、对明文图像pt中所有像素点进行置乱操作，得到置乱图像d，置乱操作的公式如下：

19、a＝pt(i,j)

20、d(i,j)＝pt(x(i-1)n+j,y(i-1)n+j)

21、d(x(i-1)n+j,y(i-1)n+j)＝a,i∈[1,m],j∈[1,n]

22、其中，pt(i,j)为明文图像pt中坐标(i,j)处的像素点，pt(x(i-1)n+j,y(i-1)n+j)为明文图像pt中坐标(x(i-1)n+j,y(i-1)n+j)处的像素点，d(i,j)为置乱图像d中坐标(i,j)处的像素点，d(x(i-1)n+j,y(i-1)n+j)为置乱图像d中坐标(x(i-1)n+j,y(i-1)n+j)处的像素点，a为一个中间变量。

23、在以上技术方案的基础上，优选的，所述扩散图像的计算公式为：

24、

25、其中，b1、bt、bt+1分别为扩散图像b中第1个、第t个、第t+1个像素点，s1、st、st+1为分别为第二伪随机序列s中第1个、第t个、第t+1个元素，dt代表置乱图像d中第t个像素点，fm(·)代表dna编码，on(·)代表dna运算，代表dna解码，mod(·)代表取模运算。

26、在以上技术方案的基础上，优选的，所述扩展扩散图像的大小，将明文图像的哈希值及时间戳隐藏到扩展的扩散图像中，得到隐藏图像具体包括：

27、将所述h值划分为多个子h值，将子h值记为为hr；

28、将第二密钥输入任意基于混沌系统的伪随机数产生器生成第三伪随机序列，根据第三伪随机序列中的多个伪随机数ur、vr产生用于信息隐藏的图像坐标(xr,yr)；

29、

30、由扩散图像b中的像素点子h值hr构造同余方程组：

31、

32、其中，p1、p2是两个互素的正整数，其中p1≥257，p2≥17，p1p2≤216；

33、根据中国剩余定理求解同余方程组，得到隐藏图像像素唯一的解

34、将分解为t1r和t2r：

35、

36、使用t1r替换原扩散图像中的点，将t2r追加在t1r点的后面，并将原扩散图像中后面的图像像素依次向后移动一位，扩展为一张大小的隐藏图像t。

37、在以上技术方案的基础上，优选的，所述隐藏图像像素唯一的解的表达式为：

38、

39、其中p＝p1p2,p1-1为p1对p1求模的逆元，且满足下式：

40、p1-1p1≡1mod(p1)。

41、在以上技术方案的基础上，优选的，通过任意基于混沌系统的伪随机数产生器产生一张噪声图像并嵌入隐藏图像中，得到最终的密文图像具体包括：

42、通过第三密钥和基于混沌系统的伪随机数产生器产生与隐藏图像t大小相同的噪声图w；

43、将噪声图像嵌入到隐藏图像t中，得到最终的密文图像r：

44、

45、其中，为异或运算符。

46、本发明第二方面，公开一种抗选择明文攻击的图像加密系统，所述系统包括：

47、伪随机序列生成模块：用于使用sha-256函数计算明文图像的哈希值，产生时间戳，根据所述哈希值、时间戳与第一密钥一起生成混沌映射的初值或参数；基于混沌映射的初值或参数，通过任意的基于混沌系统的伪随机数产生器产生第一伪随机序列和第二伪随机序列；

48、点置乱模块：用于根据第一伪随机序列产生多个随机坐标点，根据多个随机坐标点对明文图进行置乱操作，得到置乱图像；

49、基于dna操作的扩散模块：用于基于第二伪随机序列，利用dna编码和dna运算对置乱图像进行扩散操作，并通过dna解码得到扩散图像；

50、哈希值及时间戳隐藏模块：用于通过第二密钥产生第三伪随机序列，并结合中国剩余定理，扩展扩散图像的大小，将明文图像的哈希值及时间戳隐藏到扩展的扩散图像中，得到隐藏图像；

51、噪声图掩盖模块：用于根据第三密钥，通过基于混沌系统的伪随机数产生器产生一张噪声图像并与隐藏图像作异或操作，得到最终的密文图像。

52、本发明第三方面，公开一种电子设备，包括：至少一个处理器、至少一个存储器、通信接口和总线；

53、其中，所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信；

54、所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以实现如本发明第一方面所述的方法。

55、本发明第四方面，公开一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使计算机实现如本发明第一方面所述的方法。

56、本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

57、1)本发明利用明文图像的哈希值及时间戳和第一密钥生成混沌系统的初值或参数，并且利用中国剩余定理扩展密文图像大小并将明文图像的哈希值及时间戳信息隐藏于扩散后的图像中，实现了哈希值与时间戳信息的隐藏，解决了加密不同明文图像需要频繁传递密钥和密钥分配难题，并且相同密钥下相同的明文图像在不同时刻加密得到不同的密文图像。本发明的加密算法不仅密钥可以重复使用易于管理，而且具有优秀的抗选择明文攻击性能。

58、2)本发明利用动态的dna编码和dna运算对置乱图像进行扩散操作，并通过dna解码得到扩散图像，动态的dna编码相比传统异或运算具有更多的复杂度，可以增强图像置乱和扩散的复杂性和安全性。

59、3)本发明分别利用3个密钥以任意的混沌系统伪随机数产生器产生的伪随机序列参与实现图像置乱和扩散、h值信息隐藏、噪声图像掩盖，增强了图像加密过程及结果的随机性，提高加密等级。