基于分数阶混沌的图像加密方法及系统

本发明涉及图像加密领域，具体涉及一种基于分数阶混沌的图像加密方法及系统。

背景技术：

1、随着移动互联网技术的快速进步和发展，图像等信息的传播和存储变得越来越方便，人们的信息交流也越来越便捷，特别是在信息化时代的今天，人们的各种资料可以通过互联网传播。但与此同时图像信息泄露的危害和风险也在增加，没有更好的安全技术，图像信息的隐私就无法得到保护。所以，在当今流行的网络环境下，如何确保和提高图像信息的安全传输显得尤为重要。

2、数字图像可以更直观生动且方便快捷地表达信息，成为通信过程中应用最广泛的一种信息传递方式，利用混沌系统的特性对图像进行加密处理成为密码学中最常见的手段。目前，国内外很多学者利用混沌系统的特点对图像进行加密，但多数算法或技术仍存在着安全性差的缺陷，因此，需要一种新的图像加密方法及系统，不仅使得加密算法的抗干扰性和安全性增强，还扩大了加密算法的密钥空间。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供基于分数阶混沌的图像加密方法及系统，能够增强加密算法的抗干扰性和安全性，还能扩大加密算法的密钥空间。

2、本发明的基于分数阶混沌的图像加密方法，包括如下步骤：

3、s1.确定图像需要循环移位的位数；

4、s2.根据循环移位的位数，将图像每一个像素进行循环移位，得到循环移位后的图像；

5、s3.基于选取的分数阶混沌的控制参数和初始值，求取混沌序列；

6、s4.利用混沌序列对循环移位后的图像进行扩散操作，生成密文图像。

7、进一步，根据如下方法确定图像需要循环移位的位数：

8、生成图像的灰度直方图；

9、在灰度直方图中，找到最高的峰值的灰度级别；

10、将峰值灰度级别转换为二进制；

11、计算峰值的二进制表示中从最高位开始的1的个数，将1的个数作为水平方向上循环移位的位数。

12、进一步，根据如下方法确定图像需要循环移位的位数：

13、将具有纹理或边缘信息的图像区域作为当前图像区域；

14、计算当前图像区域特征的描述子与其他图像区域特征的描述子之间的相似度；

15、将从其他图像区域中找到具有最高相似度得分的某个图像区域作为参考图像区域；

16、计算当前图像区域与参考图像区域之间的位移量，将所述位移量中水平方向的位移量对参考图像区域的宽度进行取模运算，得到水平方向上的循环移位的位数；将所述位移量中垂直方向的位移量对参考图像区域的高度进行取模运算，得到垂直方向上的循环移位的位数。

17、进一步，根据如下方法计算当前图像区域与参考图像区域之间的位移量：

18、构建当前图像区域与参考图像区域之间的差异模型：

19、

20、其中，dis为当前图像区域与参考图像区域之间的差异值，ref(x,y)为参考图像区域中的像素值，cur(x+dx,y+dy)为当前图像区域中的像素值，(x,y)为参考图像区域内的像素坐标，dx为水平方向的位移量，dy为垂直方向的位移量，n为参考图像区域的像素数量；

21、调整差异模型中各参数值，使得差异值dis取得最小值，将取得最小值时设置的(dx,dy)作为当前图像区域与参考图像区域之间的位移量。

22、进一步，基于选取的分数阶混沌的控制参数和初始值，求取混沌序列，具体包括：

23、根据选取的分数阶混沌模型，确定分数阶混沌模型的控制参数；

24、在分数阶混沌模型的状态空间内随机选择初始值；

25、利用所选的分数阶混沌模型、控制参数和初始值，求解分数阶混沌模型的微分方程或差分方程，得到分数阶混沌系统状态随时间的演化，将系统状态中包含混沌信号的变量随时间演化所形成的时间序列作为混沌序列。

26、一种基于分数阶混沌的图像加密系统，包括循环移位处理单元以及密文图像生成单元；

27、所述循环移位处理单元，用于确定图像需要循环移位的位数；根据循环移位的位数，将图像每一个像素进行循环移位，得到循环移位后的图像；

28、所述密文图像生成单元，用于基于选取的分数阶混沌的控制参数和初始值，求取混沌序列；利用混沌序列对循环移位后的图像进行扩散操作，生成密文图像。

29、进一步，根据如下方法确定图像需要循环移位的位数：

30、生成图像的灰度直方图；

31、在灰度直方图中，找到最高的峰值的灰度级别；

32、将峰值灰度级别转换为二进制；

33、计算峰值的二进制表示中从最高位开始的1的个数，将1的个数作为水平方向上循环移位的位数。

34、进一步，根据如下方法确定图像需要循环移位的位数：

35、将具有纹理或边缘信息的图像区域作为当前图像区域；

36、计算当前图像区域特征的描述子与其他图像区域特征的描述子之间的相似度；

37、将从其他图像区域中找到具有最高相似度得分的某个图像区域作为参考图像区域；

38、计算当前图像区域与参考图像区域之间的位移量，将所述位移量中水平方向的位移量对参考图像区域的宽度进行取模运算，得到水平方向上的循环移位的位数；将所述位移量中垂直方向的位移量对参考图像区域的高度进行取模运算，得到垂直方向上的循环移位的位数。

39、进一步，根据如下方法计算当前图像区域与参考图像区域之间的位移量：

40、构建当前图像区域与参考图像区域之间的差异模型：

41、

42、其中，dis为当前图像区域与参考图像区域之间的差异值，ref(x,y)为参考图像区域中的像素值，cur(x+dx,y+dy)为当前图像区域中的像素值，(x,y)为参考图像区域内的像素坐标，dx为水平方向的位移量，dy为垂直方向的位移量，n为参考图像区域的像素数量；

43、调整差异模型中各参数值，使得差异值dis取得最小值，将取得最小值时设置的(dx,dy)作为当前图像区域与参考图像区域之间的位移量。

44、进一步，基于选取的分数阶混沌的控制参数和初始值，求取混沌序列，具体包括：

45、根据选取的分数阶混沌模型，确定分数阶混沌模型的控制参数；

46、在分数阶混沌模型的状态空间内随机选择初始值；

47、利用所选的分数阶混沌模型、控制参数和初始值，求解分数阶混沌模型的微分方程或差分方程，得到分数阶混沌系统状态随时间的演化，将系统状态中包含混沌信号的变量随时间演化所形成的时间序列作为混沌序列。

48、本发明的有益效果是：本发明公开的一种基于分数阶混沌的图像加密方法及系统，通过采用具有记忆特性的分数阶混沌系统对图像进行加密，更具有安全性，能弥补传统加密序列相对简单且密钥空间较小的不足导致的安全性不佳；运用循环移位技术和混沌系统进行像素扩散，从而得到具有较强加密效果的密文图像，通过将分数阶变换引入图像加密领域并结合混沌系统，提高了加密的安全性和对各种攻击的抵抗力。