基于超混沌系統(tǒng)的密鑰動(dòng)態(tài)選取的圖像加密算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種圖像加密方法，特別是設(shè)及一種基于超混濁系統(tǒng)的密鑰動(dòng)態(tài)選取 的圖像加密算法。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)今，伴隨著智能設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)、高清多媒體W及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，我們生活 中的絕大多數(shù)信息，如文檔、音頻、視頻，特別是圖像信息的傳輸更是離不開網(wǎng)絡(luò)的支持。網(wǎng) 絡(luò)一方面給人們的生活帶來了便捷，但另一方面，一些不法分子會(huì)利用網(wǎng)絡(luò)來竊取信息，該 就給人們的信息安全帶來很大隱患，所W信息在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中的安全和保密問題也越來 越受到人們的關(guān)注和重視。通常來說圖像信息都有相同的特點(diǎn)，它們都存在著數(shù)據(jù)量大、相 鄰像素相關(guān)性強(qiáng)、冗余度高等特點(diǎn)。過去常用的加密方法，是W-維數(shù)據(jù)流為設(shè)計(jì)目標(biāo)的， 像DES、3-DES、AES和RSA等，主要用于文本信息的加密，沒有考慮到數(shù)字圖像的特點(diǎn)，所W 加密的效果令人很不滿意?；鞚嵯到y(tǒng)是一種非線性系統(tǒng)，能夠表現(xiàn)出復(fù)雜的偽隨機(jī)性，具有 非常好的混淆規(guī)則。它對(duì)初始條件和控制參數(shù)極其敏感，任何微小的初始偏差都會(huì)被指數(shù) 式放大，符合擴(kuò)散規(guī)則。與此同時(shí)，它又可W通過非線性系統(tǒng)方程、參數(shù)和初始條件來確定。 正因?yàn)榛鞚嵯到y(tǒng)具有隨機(jī)性、確定性、遍歷性和對(duì)初值的高度敏感性等特點(diǎn)，我們可W設(shè)計(jì) 出密鑰空間大、加密流隨機(jī)性強(qiáng)的加密算法，使它特別適合于圖像的加密。目前，采用混濁 系統(tǒng)對(duì)圖像進(jìn)行加密已經(jīng)成為了信息安全研究的一個(gè)熱點(diǎn)，具有巨大的應(yīng)用潛力。
[0003] 美國(guó)學(xué)者化i化ich于1998年提出了經(jīng)典的圖像加密模式，它包括兩個(gè)階段，置亂 階段和擴(kuò)散階段。在置亂階段，通常只是對(duì)圖像中的每個(gè)像素位置做處理，通過改變每個(gè)像 素的位置來破壞圖像中原有的空間有序性和局部相關(guān)性，使得圖像達(dá)到雜亂無章、無法識(shí) 別并呈現(xiàn)一種類似噪聲的目的。在擴(kuò)散階段，一般是對(duì)圖像中的像素值做處理，通過混濁 系統(tǒng)產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列來對(duì)明文像素進(jìn)行掩蓋，W達(dá)到竊密者無法辨認(rèn)的目的，從而實(shí)現(xiàn) 圖像的加密。但是必須指出的是，該兩個(gè)階段必須是一個(gè)可逆的過程，既然能對(duì)圖像進(jìn)行加 密，那么也必定能夠?qū)D像進(jìn)行解密。絕大多數(shù)圖像加密算法都是依照先置亂后擴(kuò)散該樣 一個(gè)思路，最終達(dá)到了良好的加密效果。但是目前所采用的圖像加密算法存在W下幾個(gè)問 題；第一，在置亂階段，絕大多數(shù)加密算法缺乏與明文的聯(lián)系，雖然部分加密算法考慮了與 明文的聯(lián)系，但是當(dāng)其中某個(gè)像素發(fā)生改變時(shí)，其置亂的效果依舊不能擴(kuò)散至整幅圖像，置 亂的效果僅影響像素發(fā)生改變的后面像素，該樣竊密者可W通過簡(jiǎn)單的比對(duì)就可W發(fā)現(xiàn)其 中的置亂規(guī)律，該使得圖像的安全性存在巨大的漏洞；第二，數(shù)字圖像都是由一個(gè)一個(gè)像素 組成的離散有限點(diǎn)集，在置亂變換多次后會(huì)回到原來的狀態(tài)，因此只要竊密者知道了加密 的算法，就可W對(duì)其進(jìn)行暴力解密，通過多次迭代，就會(huì)在有限步內(nèi)得到明文圖像；第=，無 論是在置亂階段還是在擴(kuò)散階段，對(duì)于不同的圖像，只要初始值和控制參數(shù)一樣，加密用到 的密鑰也就一樣，其密鑰不能根據(jù)明文像素的不同做到動(dòng)態(tài)選取，并且在置亂和擴(kuò)散階段 都必須有對(duì)應(yīng)的混濁系統(tǒng)產(chǎn)生密鑰，該不但加大了系統(tǒng)的開銷，而且降低了圖像加密算法 的安全性；第四，W往一般都采用低維混濁系統(tǒng)對(duì)圖像進(jìn)行加密，低維混濁系統(tǒng)產(chǎn)生的混濁 序列只是經(jīng)過簡(jiǎn)單的反復(fù)迭代形成的，安全性不夠好，并且計(jì)算機(jī)的計(jì)算精度也可能導(dǎo)致 低維混濁系統(tǒng)的混濁序列周期性比較短，隨機(jī)性也較差，該都對(duì)圖像的破解提供了突破口。 專利申請(qǐng)?zhí)枮?01310412691. 1的中國(guó)專利公開了一種基于混濁序列和超混濁系統(tǒng)的彩色 圖像加密方法，該方法在圖像加密的置亂階段使用一維混濁系統(tǒng)產(chǎn)生的混濁序列對(duì)圖像像 素進(jìn)行置亂，置亂過程缺乏與明文的聯(lián)系，擴(kuò)散階段利用超混濁系統(tǒng)來產(chǎn)生擴(kuò)散所用的密 鑰，加大了系統(tǒng)的開銷，增加了硬件的復(fù)雜性，其安全性有待提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為克服W上現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于超混濁系 統(tǒng)的密鑰動(dòng)態(tài)選取的圖像加密方法，使其針對(duì)不同的明文，其加密密鑰也能做到動(dòng)態(tài)選取， 并且與W往的置亂方法相比，其像素的置亂位置也會(huì)隨明文像素的不同而發(fā)生改變，一些 已經(jīng)存在的置亂方法雖然與明文也存在聯(lián)系，但是當(dāng)圖像中某個(gè)像素發(fā)生改變時(shí)，其置亂 的效果依舊不能擴(kuò)散至整幅圖像，置亂的效果僅影響像素發(fā)生改變的后面像素，而本文通 過對(duì)圖像的反向置亂和反向擴(kuò)散操作，使得置亂的效果能夠擴(kuò)散至整幅圖像，最終使得加 密的效果、安全性和抗攻擊能力更強(qiáng)，并且更易于硬件實(shí)現(xiàn)。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0006] 一種基于超混濁系統(tǒng)的密鑰動(dòng)態(tài)選取的圖像加密算法，包括W下步驟：
[0007] 步驟1.輸入圖像大小為MXN的灰度圖像，并將灰度圖像像素按照從左到右，從上 到下的順序排列成一維圖像數(shù)組P;
[0008] 步驟2.利用超混濁系統(tǒng)生成混濁序列，對(duì)混濁序列進(jìn)行分組，得到分組向量 A。iG[0, 5];
[0009] 步驟3.結(jié)合依賴明文的KSSG動(dòng)態(tài)選取機(jī)制，根據(jù)變量indexl=T1 % 6,i=indexl，動(dòng)態(tài)選取用于生成置亂密鑰的Ai，T1為根據(jù)明文像素計(jì)算公式
T1=mod(floor(y〇Xl〇8),MXN)計(jì)算得到的 非負(fù)整數(shù)，其中表示原始圖像數(shù)組P的第i個(gè)元素，max(ai)表示取數(shù)組P中的最大值，floor(X)表示小于或等于X的最大整數(shù)，mod(a, b)表示a對(duì)b的取模運(yùn)算；并結(jié)合KS動(dòng)態(tài) 選取機(jī)制，根據(jù)變量index2 =T2%化1，動(dòng)態(tài)選取Ai中的元素Ai(index2,巧生成置亂密鑰 Ki(j)，其中，SG[1，MX閑，jG[1，MX閑，T2為根據(jù)明文像素得到的非負(fù)整數(shù)，Ai(index2， 巧表示Ai中第index2行向量的第S個(gè)元素，依據(jù)置亂密鑰K1(j)對(duì)圖像數(shù)組P進(jìn)行正向 置亂加密，得到正向置亂加密圖像數(shù)組P1 ;
[0010] 步驟4.利用依賴明文的KSSG動(dòng)態(tài)選取機(jī)制讀取圖像數(shù)組P中第一個(gè)元素P(l)， 即T1 =P(l)，根據(jù)indexl=T1% 6,i=indexl,選取生成擴(kuò)散密鑰的Ai;結(jié)合KS動(dòng)態(tài)選 取機(jī)制，根據(jù)變量index2 =T2%化1，生成擴(kuò)散密鑰K2(j)，依據(jù)擴(kuò)散密鑰K2(j)對(duì)正向置 亂加密圖像數(shù)組P1進(jìn)行正向擴(kuò)散加密，得到正向擴(kuò)散加密圖像數(shù)組P2 ;
[0011] 步驟5.利用依賴明文的KSSG動(dòng)態(tài)選取機(jī)制，根據(jù)變量indexl=T1 % 6,i=indexl,動(dòng)態(tài)選取用于生成置亂密鑰的Ai，T1為根據(jù)明文像素依據(jù)公式 T1 =mod(floor(y〇'Xl〇8),MX腳計(jì)算得 到的非負(fù)整數(shù)，其中，a/表示正向擴(kuò)散圖像數(shù)組P2的第i個(gè)元素，max(a/ )表示取圖像數(shù) 組P2中的最大值，floor(X)表示小于或等于X的最大整數(shù)，mod(a,b)表示a對(duì)b的取模運(yùn) 算；并結(jié)合KS動(dòng)態(tài)選取機(jī)制，根據(jù)變量index2 =T2%化1，生成反向置亂密鑰KsU)，依據(jù) 反向置亂密鑰Ks(j)對(duì)正向擴(kuò)散加密圖像數(shù)組P2進(jìn)行反向置亂加密，得到反向置亂加密圖 像數(shù)組P3;
[0012] 步驟6.利用依賴明文的KSSG動(dòng)態(tài)選取機(jī)制，讀取正向擴(kuò)散加密圖像數(shù)組P2最后 一個(gè)元素P2 (MXN)，T1 =P2 (MXN)，依據(jù)indexl=T1 % 6，i=indexl，動(dòng)態(tài)選取用于生 成反向擴(kuò)散密鑰的Ai;結(jié)合KS動(dòng)態(tài)選取機(jī)制，根據(jù)變量index2 =T2% 2+1，選取Ai中的元 素生成擴(kuò)散密鑰K4(j)，根據(jù)擴(kuò)散密鑰K4(j)對(duì)反向置亂加密圖像數(shù)組P3進(jìn)行反向擴(kuò)散加 密，得到反向擴(kuò)散加密圖像數(shù)組P4,并將反向擴(kuò)散加密圖像數(shù)組P4重組為大小為MXN的數(shù) 組密文。
[0013] 上述的，所述步驟2中利用超混濁系統(tǒng)生成混濁序列對(duì)混濁序列進(jìn)行分組包含如 下步驟：
[0014] 步驟2. 1采用陳氏超混濁系統(tǒng)，根據(jù)表達(dá)式
.將初始值和系統(tǒng)參 數(shù)帶入超混濁系統(tǒng)中迭代m+MXN次，為了避免有害影響，舍去前m(m乂00)個(gè)值，得到X、Y、Z、W四個(gè)向量序列，其中，a、b、c、d和k是超混濁系統(tǒng)的控制參數(shù)，X= [X。X2,. . .，XmxJ、 Y= [y。72, . . .，yMXN]、Z= [Z。Z2, . . .，Zmxn]、W=[訊1，訊2, . ? .，Wmxn];
[00巧]步驟2. 2對(duì)向量序列X、Y、Z、W進(jìn)行分組，得到分組向量Ai，iG[0,5]，其中，
[0016] 上述的，所述步驟3中結(jié)合KS動(dòng)態(tài)選取機(jī)制，動(dòng)態(tài)選取Ai中的元素Ai(index2,S) 生成置亂密鑰Ki(j)，并對(duì)P進(jìn)行正向置亂，還包含如下步驟：
[0017]步驟3.1初始化循環(huán)變量1〇、12、口1(0)，1 = 0，^' = 1^2 = &，口1(0)=&;
[0018] 步驟3. 2利用KS動(dòng)態(tài)選取機(jī)制生成置亂密鑰Ki(j);
[0019]步驟3. 3對(duì)得到的置亂密鑰Ki(j)，根據(jù)修正公式
[0020] Ki(j) =mod (floor(abs化1(j)X1〇8)),MXN)，進(jìn)行修正；
[0021]步驟3. 4根據(jù)正向置亂公式，
進(jìn)行置亂 操作，j表示原始明文圖像數(shù)組的第j個(gè)位置，j'表示圖像數(shù)組第j'個(gè)位置，Ki(j)表示用 于置亂的第j個(gè)密鑰元素，P1(j)表示置亂圖像數(shù)組P1第j個(gè)位置的元素，P1(j-1)表示置 亂圖像數(shù)組第j-1個(gè)位置的元素，其中jG[1，MX閑，j'G[1，MX閑，exchange(a,b)表示 將a與b的值相互交換；
[0022] 步驟3. 5判斷是否所有的元素已經(jīng)完成置亂，如果沒有完成，則i=i+1，j=j+1， 將PI(i)的值賦給T2,跳轉(zhuǎn)到步驟3. 2執(zhí)行，直到i〉MXN-l，結(jié)束循環(huán)，保存得到的正向置 亂加密圖像數(shù)組P1。
[0023] 上述的，所述步驟4中結(jié)合KS動(dòng)態(tài)選取機(jī)制，動(dòng)態(tài)選取A沖的元素Ai(index2，S) 生成擴(kuò)散密鑰K2(j)，并對(duì)P1進(jìn)行正向擴(kuò)散，還包含如下步驟：
[0024]步驟 4. 1 初始化循環(huán)變量i、j、T2、P2 (0)，i= 0,j= 1，T2 = &，P2 (0) = &;
[00巧]步驟4.2利用KS動(dòng)態(tài)選取機(jī)制生成擴(kuò)散密鑰馬(j);
[002引步驟4. 3根據(jù)修正公式K2(j) = mod(floor (油S 0(2(j) X 108)), 256)，對(duì)得到的擴(kuò) 散密鑰K2(j)進(jìn)行修正；
[0027]步驟4. 4根據(jù)正向擴(kuò)散公式P2(j) =P2(j-1)貨PlCi)貨1<2〇'），進(jìn)行擴(kuò)散操作，其中， P2(j)表示進(jìn)行擴(kuò)散操作后的第j位置的像素值，P2 (j-1)表示第j-1個(gè)位置擴(kuò)散的像素 值，P1U)表示P1的第j位置的像素值，K,U)表示用于擴(kuò)散的第j個(gè)密鑰；
[0028] 步驟4. 5判斷是否所有的元素已經(jīng)完成擴(kuò)散，如果沒有完成，則i=i+1，j=j+1， 將P2a)的值賦給T2,固齡到步驟4. 2執(zhí)行，直到i〉MXN-l，結(jié)束循環(huán)，保存得到的正向擴(kuò) 散加密圖像數(shù)組P2。
[0029]上述的，所述步驟5中結(jié)合KS動(dòng)態(tài)選取機(jī)制，動(dòng)態(tài)選取A沖的元素Ai(index2,S) 生成反向置亂密鑰K3(j)，并對(duì)P2進(jìn)行反向置亂，還包含如下步驟：
[0030]步驟5. 1 初始化循環(huán)變量i、j、T2、P3(MX化 1)，i=MX化 1，j=MXN，T2 =Us， P3(MX化 1) =Ue;
[0031] 步驟5. 2利用KS動(dòng)態(tài)選取機(jī)制生成反向置亂密鑰K3(j);
[00礎(chǔ)步驟5. 3根據(jù)修正公式K3(j) = mod(floor (油S 0(3(j) X 108)), MXN)，對(duì)得到的反 向置亂密鑰Ks(j)進(jìn)行修正；
[0033] 步驟5. 4根據(jù)反向置亂公式
進(jìn)行置亂操 作，得到反向置亂加密圖像數(shù)組P3,其中，j表示正向擴(kuò)散圖像數(shù)組的第j位置，j'表示圖 像數(shù)組第j'位置，Ks(j)表示用于置亂的第j個(gè)密鑰元素，P3(j)表示P3的第j位置的元 素，P3(j+1)表示P3第j+1位置的元素，加上jG[1，MX閑，j'G[1，MX閑；
[0034] 步驟5. 5判斷是否所有的元素已經(jīng)完成置亂，如果沒有完成，則i=i-1，j=j-1， 并將P3 (i)的值賦給T2,跳轉(zhuǎn)到步驟5. 2執(zhí)行，直到i< = 1時(shí)結(jié)束循環(huán)，保存得到