基於多分數階混沌系統的彩色圖像加密和解密方法
2023-06-16 10:29:16 3
專利名稱：基於多分數階混沌系統的彩色圖像加密和解密方法
技術領域：
本發明涉及信息安全中的圖像加密解密領域，尤其涉及一種基於多分數階混沌系統的彩色圖像加密和解密方法。
背景技術：
目前，數字圖像作為多媒體信息中最重要的一種信息表達形式，具有形象、直觀和生動的優點，已成為人們日常生活中接觸最多的信息種類之一。隨著多媒體技術和網際網路的迅猛發展，數字圖像信息已廣泛應用於商業、醫學、軍事等眾多領域，極大的方便了人們的生產生活。但是，數字圖像也存在著諸多安全隱患，例如信息洩露、數據篡改、信息竊取等。如何保護圖像信息的安全已成為各界廣為關注的問題。
圖像加密是圖像安全保護的核心技術。與一般的文本數據相比，數字圖像數據具有數據量大、相鄰像素相關性強等特點，儘管利用傳統的加密方法(如DES、AES、RSA等)可以實現對圖像加密，但存在加密效率低、安全性不高等缺陷，並不適合直接對圖像進行加密。 近年來，混沌理論的應用研究引起了密碼學界的廣泛興趣。由於混沌具有對初值的敏感性、 良好的偽隨機性、軌道的不可預測性等特徵，這些特徵正好能夠滿足密碼系統的要求，從而使得混沌理論在圖像加密領域得到廣泛應用。
按照變換方式的不同，基於混沌的圖像加密方法可分為圖像像素位置變換和圖像像素值變換兩類加密方法。圖像像素位置變換加密方法是通過重排圖像矩陣中的數據位置，但不改變圖像像素值，使得圖像雜亂無章，從而達到加密的目的。該類方法的優點是實現簡單，加解密速度快，效果佳，但算法的安全性低，難以抵抗統計攻擊。圖像像素值變換加密方法是通過使用混沌系統生成密鑰來掩蓋明文，改變原始圖像各像素點的像素值，使得竊密者無法辨認，從而實現圖像加密的目的。這類圖像加密方法具有算法安全性高和加密強度高的優點，但算法加密效果不好，且效率低。已有的基於混沌的圖像加密方法大多是利用單一的低維混沌系統或映射產生混沌序列，對混沌序列經過某種處理後得到密鑰，然後利用密鑰對圖像像素位置置亂或改變圖像像素值，以實現對原始圖像的加密處理。現有的研究表明，基於單一的低維混沌系統或映射的圖像加密算法普遍存在安全性較低、密鑰空間較小、混沌序列易於破譯、難以抵抗窮舉攻擊等缺陷。
整數階混沌是分數階混沌的特例。分數階混沌系統除具有整數階混沌系統對初值敏感性、偽隨機性等優良特性外，還具有分數階系統所特有的一些性質，如能夠反映系統的歷史信息、很強的歷史記憶性等。分數階混沌系統增強了系統的非線性和複雜性，可增大加密算法的密鑰空間。並且，利用現有的整數階混沌分析和預測方法並不能估計出分數階混沌系統的分數階次，即現有的整數階混沌系統分析和預測方法對分數階混沌系統失效。發明內容
本發明的目的是提供一種基於多分數階混沌系統的彩色圖像加密和解密方法，密鑰敏感性高，密鑰空間大，加密效果好，安全性高。
本發明採用下述技術方案一種基於多分數階混沌系統的彩色圖像加密和解密方法，所述的加密方法包括以下步驟(1)輸入圖像大小為MxiV的原始彩色圖像；，分離圖像石的汜仏沒三基色分量得到三個矩陣Iq-Rmn、Iq-GMN和I。-B!—'並將各分量的長和寬分別劃分為m等份和等份，得到ra X η個大小為(M/m)x(N/n)的塊矩陣；(2)利用多個分數階混沌系統生成用於置亂原始彩色圖像I0的置亂矩陣和(3)利用置亂矩陣Qr、Q13和Qb對原始圖像I0逐塊進行置亂，得到置亂圖像I1;(4)將置亂圖像I1分解成三基色圖像，得到三基色分量矩陣A—Aw7、mIl- / ;(5)利用多個分數階混沌系統生成用於加密置亂圖像I1的密鑰矩陣 ixMm ;(6 )利用密鑰矩陣△xn、△h和△M*N改變置亂後的圖像I1各像素點的RGB值，得到加密圖像I2。
所述的步驟(2)中使用的分數階混沌系統為分數階Chen混沌系統和分數階LU混沛系統，
權利要求
1.一種基於多分數階混沌系統的彩色圖像加密方法，其特徵在於包括以下步驟(1)輸入圖像大小為MxN的原始彩色圖像I0，分離圖像Id的R、G、B三基色分量得到三個矩陣
2.根據權利要求I所述的基於多分數階混沌系統的彩色圖像加密方法，其特徵在於所述的步驟(2)中使用的分數階混沌系統為分數階Chen混沌系統和分數階LU混沌系統， 分數階 Chen 混沌系統
3.根據權利要求2所述的基於多分數階混沌系統的彩色圖像加密方法，其特徵在於所述的步驟(3)中利用置亂矩陣對原始圖像A進行置亂的具體步驟如下 s1.步驟(I)中的mX R個大小為X (N/n)的塊矩陣，分別表示為Iq」 —block (I: (M /m),l: (N/n),i) , I0_G_ bio ck(I: (M/m),l:，』Γ0—5__Woekp·: {M/m),l: (N/n),i) (i = 1,2,---,mxn)； s2.從各分量的第I塊開始進行置亂，首先將第I塊的各元素存放到一個一維數組中，即 TCinp — R(1 :(M/m) x (N/n)) - J0_i _block(I: (M/m),l: (N/n),I),Tcmp _ G(1 -.{Mint) x (N/n)) ^ I0JJ _ block (L: (M/m ),1: (N/n),I) ,Jemp_B(l:(M/m)x(N/n)) = I0_B_bloekQ.:(M/m),l:(N/n),l);然後,利用置亂矩WQr、fib和的第I行元素分別對Temp_R、Temp—G、Temp—B中的元素逐個進tf ' 乩，L1|J Tcmp _ Rs(;) - Tcmp _ R^CI,；)) , Tcnip _ Gs(j) = Temp _ G(￡'g(1，j))
4.根據權利要求3所述的基於多分數階混沌系統的彩色圖像加密方法，其特徵在於所述的步驟(5)中使用的分數階混沌系統為分數階Qi混沌系統和分數階Liu混沌系統，二者的分數階次、系統參數和初始值均不相同，且與步驟(2)中的分數階混沌系統的分數階次、系統參數和初始值也各不相同；
5.根據權利要求I或2或3或4所述的基於多分數階混沌系統的彩色圖像加密方法，其特徵在於所述的步驟(6)中改變置亂圖像J1各像素點財汲值的方法是將三基色分量矩陣I1-R謂、I1-G畫和I1-B麗中的元素分別與密鑰矩陣Afgm、h和中的元素逐個進行異或運算，即J2—mu) -11，I2—G(U) UD AgH=-其中ι = 0,1,2,--·，Μ -1 , j = 0,1,2,---,Ar-I。
6.實現權利要求I所述的加密方法得到的加密圖像的解密方法，其特徵在於在需要解密時，只須按照與圖像加密過程相逆的順序進行運算即可恢復原始彩色圖像，即首先，利用第(5)步產生的密鑰矩陣恢復加密圖像I2各像素點的財汲值，恢復加密圖像像素值的操作與步驟(6)中所使用的方法相同，從而得到置亂圖像I1 ;然後，分離圖像七的汜仏沒三基色分量，並將各分量的長和寬分別劃分為m等份和η等份，得到w χ η個大小為(M/m)x(N/n)的塊矩陣；最後，利用第(2)步產生的置亂矩陣對圖像J1逐塊進行反置舌L反置亂操作與步驟(3)中所使用的方法相同，最終解密出原始彩色圖像Id。
全文摘要
本發明公開了一種基於多分數階混沌系統的彩色圖像加密和解密方法，其中，加密算法包括原始圖像置亂階段和置亂圖像加密階段首先，利用兩個不同的分數階混沌系統生成三個置亂矩陣，並分別對原始彩色圖像I0的R、G、B三基色分量矩陣進行置亂處理，得到置亂後的圖像I1；其次，利用另外兩個不同的分數階混沌系統生成三個密鑰矩陣，並將密鑰矩陣中的元素與置亂圖像I1的像素逐個進行異或運算，以改變置亂圖像I1各像素點的數值，從而得到加密圖像I2；圖像解密則是加密的逆過程。本方法使用多個分數階混沌系統，極大的增強了本發明的安全性，且該算法密鑰空間大，密鑰敏感度高，抗攻擊能力強。
文檔編號G06T1/00GK102982499SQ20121036664
公開日2013年3月20日 申請日期2012年9月28日 優先權日2012年9月28日
發明者武相軍, 宋亞林, 楊一平, 王慧, 馮東棟, 李陽 申請人:河南大學