基于概率区间划分和动态概率事件的图像加密和解密方法【
技术领域：
】[0001]本发明属于信息安全和数字图像信号处理交叉研究领域，设及一种数字图像加密和解密方法，特别设及一种基于概率区间划分和动态概率事件的图像加密和解密方法。【
背景技术：
】[0002]近年来，伴随着计算机和网络技术的发展，越来越多的图像在网络中传输，在给用户提供方便的同时，也带来一系列安全隐患。对图像不当使用或恶意篡改，不仅设及个人隐私，也会给社会带来严重负面影响。保障数字图像安全的核屯、技术是数字图像加密。[0003]自Robe;rtMatthews，1989(Robe;rtMatthews.Onthederivationofa"chaotic"encryptionalgorithm!!J].Cryption，1989，13(I):29-42)提出混浊加密思想W来，基于混浊的图像加密方法逐步成为了图像安全的研究热点，国内外研究者结合混浊系统给出了很多图像加密方法。彭再平等，2014(彭再平，王春华，林愿，等.一种新型的四维多翼超混浊吸引子及其在图像加密中的研究[J].物理学报，2014,63(24):240506-1-240506-10)和朱从旭等，2012(朱从旭，孙克辉.对一类超混浊图像加密算法的密码分析与改进[J].物理学报，2012,61(12):12503-1-12503-12)通过4维超混浊系统产生随机序列对图像像素值进行异或方口密。Zhan邑Xuanpin邑等，2014a(Xuanpin邑Zhan邑，YanbinMao，Zhon邑men邑Zhao.AnefficientimageencryptionbasedonalternatecicularS-boxes[J].NonlinearDynamics，2014，78(I):359-369)和ZhangXua叩ing等，2014b(XuawingZhang，ZhongmengZhao,JiayinWang.Chaoticimageencryptionbasedoncircularsubstitutionboxandkeystreambuffer[J].SignalProcessing:ImageCommunication，2014,29(8):902-913)将图像像素在S-BOX上的映射值作为图像像素的加密值。[0004]W上文献（彭再平等，2014,朱从旭等，2012,Xua吨ingZhang等，2014a和Xua吨ingZhang等，2014b)都是通过对像素值的改变来对图像进行混淆加密，但在混淆的同时并不能实质地改变图像像素邻近位置相关性，且加密后的图像像素位置与加密前的原像素位置一一对应，从而在信道传输过程中重要像素易于受到攻击，像素之间的相关性也易于受到破坏。[000引为避免此类问题，通常的图像加密算法一般包括2个环节，即打乱邻近像素位置相关性的置换环节和改变像素值相关性的混淆环节。基于此，官国荣等，2015(官国荣，吴成茂，贾倩.一种改进Lorenz混浊系统构造及其加密应用[J].小型微型计算机系统，2015,36(4):830-835)和赵玉青，2014(赵玉青.基于改进化en混浊系统的加密算法[J].小型微型计算机系统，2014,35(9):2162-2166)分别对改进Lorenz混浊系统和添加扰动的Chen系统产生的随机序列进行预处理，通过排序对待加密图像像素进行位置置换，并将置换后的图像像素进行异或混淆加密。XiaoJuntong等，2015(XiaoJuntong，ZhuWang，MiaoZhang，etal.Animageencryptionalgorithmbasedontheperturbedhigh-dimensionalchaoticmap[J].NonlinearDynamics,2015,80(3):1493-1508)将图像像素矩阵划分为5个部分，由不同初始值驱动猫映射进行像素位置置换，然后对像素进行异或混淆加密。K.Ganesan等，2014(K.Ganesan，K.Murali.Imageencryptionusingeightdimensionalchaoticcatmap[J].TheEuropeanPhysicalJournalSpecialTopics,2014,223(8):1611-1622)通过8维猫映射构造查找表，对像素的位置置换并逐像素异或加密。WeiZhang等，2013(WeiZhang，Kwok-woWong，HaiYu，etal.Animageencryptionschemeusingreverse2-dimensionalchaoticmapanddependentdiffusion[J].CommunicationsinNonlinearScienceandNumericalSimulation,2013,18(8):2066-2080)用cat映射进行像素位置置换W及采用look-叫table算法进行像素异或加密。M.Ghebleh等，2014(M.Ghebleh，A.Kanso，H.Noura.Animageencryptionschemebasedonirregularlydecimatedchaoticmaps[J].SignalProcessing:ImageCommunication,2014,29(5):618-627)将图像分块，由3维帐篷映射产生纔浊置乱序列，通过银齿遍历映射对图像像素进行位置置换，然后构造像素间的异或纔淆加密上文献（官国荣等，2015,赵玉青，2014，XiaoJuntong等，2015，K.Ganesan等，2014，WeiZhang等，2013和M?加ebleh等，2014)将图像像素位置置换和对图像像素纔淆加密孤立为2个松禪合的加密环节，在纔淆过程中仅采用最简单的异或加密函数，由此也带来了严重的安全隐患，攻击者可构造特殊的攻击模板，孤立置换和纔淆加密环节，先破解加密密钥，再由加密密钥获取图像明文，从而最终破解整个加密方法。[0006]为提高置换与纔淆加密环节的禪合性，NarendraK等，2013(NarendraK.Pareek,VinodPatidar,KrishanK.Sud.Diffusion-substitutionbasedgrayimageencryptionscheme[J].DigitalSignal化ocessing，2013,23(3):894-901)通过128位外部密钥将对图像的全局异或加密，分块纔淆过程的块大小和块内元素的起始位置W及邻近元素的异或加密方向禪合到了一起。徐亚等，2015(徐亚，张绍武.基于Arnold映射的分块双层自适应扩散图像加密算法[J].中国图像图形学报，2015,20(6):0740-0748)采用外部密钥将Arnold对块及块内像素置换W及扩散操作禪合在了一起，加密后的像素与外部密钥共同更新纔浊^OXuanpingZhang^,2014c(XuanpingZhang，XingFan，JiayinWang，etal.Achaos-basedimageencryptionschemeusing2Drectangulartransformanddependentsubstitution[J].MultimediaToolsandApplications，2014:1-19)用夕h部密钥将二维双尺度映射置换像素W及构造驱动纔浊系统构造S盒子进行像素替换联系在一起，使得加密环节密不可分。由于对像素比特位的置换，也能改变图像像素值，一些文献也探讨了基于比特位的加密方法DHimanKhanzadi等，2014(HimanKhanzadi,MohammadEshghi,ShahramEtemadiBorujeni.Imageencryptionusingrandombitsequencebasedonchaoticmaps[J].ArabianJournalforScienceandEngineering,2014,39(2):1039-1047)对像素位置进行行列置乱，然后对置换后的图像8个比特位面分别进行异或'混淆加密oXingyuanWang等，2013(XingyuanWang，DapengLuan.Anovelimageencryptionalgorithmusingchaosandreversiblecellularautomata[J].CommunicationsinNonlinearScienceandNumericalSimulation,2013,18(11):3075-3085)将图像像素划分为高4位比特和化4位比特，通过缠绕纔浊映射序列值形成对应关系进行置换加密，高四位比特采用元胞自动机加密，化四位采用随机序列纔淆加密。^上文献（NarendraK等，2013,徐亚等，2015，Xua叩ingZhang等，2014c，Himan趾anzadi等，2014和XingyuanWang等，2013)尽管通过外部密钥或添加比特位操作增加了加密环节的禪合性，但对于不同的加密图像，使用相同的密钥，其所经历的加密过程都相同，由此依然存在着恶意攻击者选取特殊的攻击模板攻击加密算法的风险。要解决此问题，必须将待加密图像的明文属性引入到图像加密算法中。基于此，YicongZhou等，2014(YicongZhou,WeijiaCao，C.L.PhilipChen.Imageencryptionusingbinarybitplane[J].SignalProcessing，2014,100(7):197-207)将明文像素和与Logistic映射的迭代次数相绑定，从而不同的像素对应于不同的IogiStic映射迭代次数。XingyuanWang等，2014(XingyuanWang,KangGuo.Anewimagealternateencryptionalgorithmbasedonchaoticmap[J].NonlinearDynamics.2014,76(4):1943-1950)明文像素和作为Logistic映射序的参数，不同图像对应不同随机数。杨凤霞，2014(杨凤霞.基于二维Arnol加央射的彩色图像加密算法[J].小型微型计算机系统，2014,35(8):1922-1925)将图像(0,0)点的像素值和用户密钥作为化t映射的参数和迭代次数。文献(YicongZhou等，2014,XingyuanWang等，2014和杨凤霞，2014)尽管将明文引入到图像加密策略中W提高安全性，但所提升的安全性十分有限，例如YicongZhou等，2014将明文像素和与512的模值作为Logistic映射的迭代次数，仅有512种可能;杨凤霞，2014将图像(0,0)点的像素值引入到图像加密算法中，由于单个像素仅仅256个数值，所能起到的安全性也十分有限。为提高加密策略与明文之间的相关性。BenyaminNorouzi等，2014(BenyaminNorouzi，SeyedMohammadSeyedzadeh，SattarMirzakuchaki，et.al.Anovelimageencryptionbasedonhashfunctionwithonlytwo-rounddiffusionp;rocess[J].MultimediaSystems,2014,20(1):45-64)将明文像素和与当前像素的差值作为加密参数用来生成加密环节的密钥，但所设计的加密策略在解密时需原始待加密图像的所有信息起不到实质的加密作用。文献李园园等，2013(李园园，张绍武.小波变换和SHA-I相结合的图像压缩加密[J].中国图像图形学报，2013,18(4):376-381)将待加密图像进行四重小波变化，利用待加密图像的明文像素和、低频系数、初始密钥作为混浊系统参数依次对图像的高低频部分进行加密。虽然文献(BenyaminNorouzi等，2014和李园园等，2013)加强了密钥与明文之间的关联，但明文仅能对图像加密环节的参数施加影响，而不能具体地改变所经历的加密环节，运在实际使用过程中依然存在着较大的安全风险。[0007]在所申请的发明专利中（邵利平，郭毅，杨踰.基于改进约瑟夫遍历和广义化non映射的图像加密与解密方法[P].中国，中华人民共和国国家知识产权局，发明专利，201410145368.7)，我们将待加密图像SHA-I值和用户选定的加密参数联合作为密钥，驱动广义Henon映射对改进的用于位点置换的约瑟夫遍历映射的起始位置、报数间隔和报数方向进行随机扰动，从而使不同的加密图像和加密参数实质对应于不同的位点置换过程;该方法增强了各加密环节的禪合性，不同的待加密图像启动不同的加密过程，因而能有效地抵抗选择性明文攻击，所提方法加强了密钥与明文之间的关联，但明文仅能对图像加密环节的参数施加影响，而不能具体地改变所经历的加密环节。【
发明内容】[0008]本发明目的在于克服现有技术缺陷，提供一种基于概率区间划分和动态概率事件的图像加密和解密方法，不同的图像和密钥将对应于不同的加密过程，具备更高的安全性。为实现上述目的，本发明采用W下技术方案：[0009]-种基于概率区间划分和动态概率事件的图像加密方法，包括W下步骤：[0010]第1步:记待加密图像为A=(ai,j)mXn且曰1^￡{〇，1，...，123引，设置加密次数1，*>0，初始迭代控制参数k=1，将A的甜A-I值转换为16进制数序列Ssha-I=<s〇，Si，…，S39〉，然后将Ssha-I首尾相接连成一个环，由用户确定不重复起点Go，Gi，G2e{0，1，2，...，39}，将其映射为16进制数序列馬。，[00川第2步:将馬。，馬,，馬。映射为初始值Xinit，Yinit，Zinit;[001引第3步:将Ssha-汾割为16进制序列出，i=0，1，2，3，4，然后将出映射为当前第1页1 2 3 4 5