一种基于正余弦二维混沌系统的图像加密方法

本发明涉及图像加密，具体地涉及一种基于正余弦二维混沌系统的图像加密方法。

背景技术：

1、数字图像相对于传统的一维文本具有较高的数据量，高冗余且其相邻像素之间具有较高的相关性，所以传统的图像加密算法难以满足其加密要求。

2、由于混沌信号伪随机性、初值敏感性等特性，其在密码学、身份认证、信息安全和定位跟踪等多个领域具有广泛的应用前景。混沌是确定系统由于对初值和参数的极端敏感性导致的不可预测的系统行为。现有的一维混沌系统结构简单，秘钥空间小，不能满足安全性需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，提出设计一种基于正余弦二维混沌系统的图像加密方法。

2、本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

3、一种基于正余弦二维混沌系统的图像加密方法，包括：

4、(1)读取待加密图片，先将待加密图像压缩到指定大小，得到压缩后图像img；

5、(2)将压缩后图像img的三信道分离，形成r信道、g信道和b信道；读取信道的数据，记作plain，对全部plain进行十进制求和运算，结果记为sum_pt；

6、(3)使用哈希函数sha-256计算得到sum_pt的256位哈希值，运算得到正余弦混沌系统的初始值；

7、(4)将步骤(3)得到的初始值带入正余弦混沌系统，得到三组伪随机序列，再利用其构造出整数序列z和位置序列w；

8、(5)对r信道、g信道和b信道进行加密；

9、(6)最后将三信道密文图像合并，得到加密图像。

10、进一步的，所述正余弦混沌系统为：

11、或或

12、其中，a和b为固定的实参数，xn和yn为变量，当x(1)和y(1)为任意值、参数a＝10、b＝30时，系统是混沌的。

13、进一步的，步骤(5)的加密过程为：

14、r信道加密：先对r信道的像素值进行dna编码，接着进行dna运算，最后进行dna解码，解码后进行一次混淆完成对r信道的加密；

15、g信道加密：首先对g信道的像素值进行一次arnold置乱，置乱后再进行两次异或得到g信道的加密图像；

16、b信道加密：首先对b信道像素值进行分块，将其处理成16*16的子块，然后对每一个子块内的像素值进行置乱，接着对子块进行位置置乱，最后进行一次混淆工作完成加密。

17、进一步的，所述dna编码：

18、两位二进制0和1相互组合可以有四种不同的组合方式00、01、10、11，这与dna编码的四种碱基a(腺嘌呤)、c(胞嘧啶)、g(鸟嘌呤)和t(胸腺嘧啶)相对应。本发明将一个十进制数转化为八位二进制，进而就可以将这一个十进制数转化为四位碱基；例如一个像素值为210，将其转化为二进制11010010，然后根据dna编码表的编码规则3将其转化为dna序列agtc。

19、进一步的，所述dna运算：四种碱基两两之间可以进行加，减、异或和同或运算。

20、进一步的，为了加强算法的安全性，可以利用哈希函数对原始图像进行处理给初始值添加一个扰动，使混沌系统和原图产生联系，具体的构造过程如下：

21、(1)对原始图像求像素和记为sum-pt；

22、(2)将sum-pt作为哈希函数sha-256的输入，得到256位的秘钥，将256位秘钥序列每8位一组，m1，m2，m3，…，m32；混沌映射的初始值x1’(1),x2’(1)计算如下：

23、

24、其中x1(1)、x2(1)作为混沌系统的原始初值，使得混沌迭代和密文相联系。

25、进一步的，迭代正余弦混沌系统的初始值生成两个混沌序列x1、x2；

26、(1)位置序列的构造

27、从混沌序列中截取所需要的数值并进行升序排列，记录数值原来的位置，该位置即位置序列w；

28、(2)整数序列的构造

29、在进行加密时通常需要一定范围的整数；将选取到的混沌序列进行公式运算，

30、将其变成0-u之间的整数，得到整数序列z：

31、z＝floor(((xi×103-floor(xi×103))×103))modu。

32、本发明的技术效果：

33、与现有技术相比，本发明图像加密方法，基于正余弦二维混沌系统实现，该类混沌系统具有较广的混沌映射范围、较高的秘钥空间和强伪随机性，可以解决一维混沌映射维度低、变量少所导致的加密过程中安全性问题，且易于实现。本发明图像加密方法打乱了图像像素之间的相关性，能够有效的抵抗明文攻击、穷举攻击和统计攻击。

技术特征：

1.一种基于正余弦二维混沌系统的图像加密方法，其特征在于：包括：

2.根据权利要求1所述的基于正余弦二维混沌系统的图像加密方法，其特征在于：所述正余弦混沌系统为：

3.根据权利要求1所述的基于正余弦二维混沌系统的图像加密方法，其特征在于：步骤(5)的加密过程为：

4.根据权利要求3所述的基于正余弦二维混沌系统的图像加密方法，其特征在于，所述dna编码：两位二进制0和1相互组合有四种不同的组合方式00、01、10、11，与dna编码的四种碱基a-腺嘌呤、c-胞嘧啶、g-鸟嘌呤和t-胸腺嘧啶相对应，将一个十进制数转化为八位二进制，进而将一个十进制数转化为四位碱基。

5.根据权利要求4所述的基于正余弦二维混沌系统的图像加密方法，其特征在于：所述dna运算：四种碱基两两之间进行加、减、异或和同或运算。

6.根据权利要求1所述的基于正余弦二维混沌系统的图像加密方法，其特征在于：利用哈希函数对原始图像进行处理给初始值添加一个扰动，使混沌系统和原图产生联系，具体的构造过程：

7.根据权利要求1所述的基于正余弦二维混沌系统的图像加密方法，其特征在于：迭代正余弦混沌系统的初始值生成两个混沌序列x1、x2；

技术总结
本发明涉及图像加密技术领域，具体地涉及一种基于正余弦二维混沌系统的图像加密方法，包括：读取待加密图片，先将待加密图像压缩；将压缩后图像的三信道分离；读取信道的数据，对全部信道的数据进行十进制求和运算；使用哈希函数计算得到运算结果的哈希值，运算得到正余弦混沌系统的初始值；将得到的初始值带入正余弦混沌系统，得到三组伪随机序列，再利用其构造出整数序列和位置序列；对R信道、G信道和B信道进行加密；最后将三信道密文图像合并，得到加密图像。本发明基于正余弦二维混沌系统实现，该类混沌系统具有较广的混沌映射范围、较高的秘钥空间和强伪随机性，解决了一维混沌映射维度低、变量少所导致的加密过程中安全性问题。

技术研发人员：张芳芳,武金波,寇磊,单东日,姜翠美,叶云霄
受保护的技术使用者：齐鲁工业大学（山东省科学院）
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8