基于pwlcm混沌的多幅圖像加密方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種信息加密技術(shù)，特別是涉及一種圖像加密方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在政治、軍事、商業(yè)等諸多領(lǐng)域中，網(wǎng)絡(luò)信息的安全變得日益重要。近年，網(wǎng)絡(luò)安全 發(fā)展態(tài)勢呈現(xiàn)：（1)計(jì)算機(jī)病毒層出不窮；（2)黑客攻擊逐年攀升；（3)系統(tǒng)存在安全漏洞； (4)各國軍方加緊信息戰(zhàn)研究。網(wǎng)絡(luò)泄密事件時(shí)有發(fā)生，對網(wǎng)絡(luò)個(gè)人的通信隱私、企業(yè)的商 業(yè)機(jī)密、國家的安全穩(wěn)定都造成了重大影響。因此，網(wǎng)絡(luò)信息安全是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中急需解決 的重要問題。
[0003] 在軍事發(fā)現(xiàn)、自然災(zāi)害監(jiān)控、交通監(jiān)控、天氣預(yù)報(bào)、電子政務(wù)和個(gè)人事務(wù)等諸多領(lǐng) 域中，每天都會產(chǎn)生大量的數(shù)字圖像。同時(shí)，各種拍攝設(shè)備的不斷涌現(xiàn)也加速了大數(shù)據(jù)時(shí)代 的到來。如一部單反相機(jī)每秒能拍攝幾張照片，一個(gè)交通監(jiān)控?cái)z像頭每天能拍攝數(shù)千張圖 像。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，數(shù)字圖像往往會攜帶許多秘密信息。因此，如何保護(hù)圖像內(nèi)容的安全已 成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。
[0004] 為確保圖像內(nèi)容的安全，人們已提出了許多單幅圖像加密方法。這些方法主要包 括:基于現(xiàn)代密碼體制的圖像加密方法、基于矩陣變換的圖像加密方法、基于混沌理論的圖 像加密方法、基于變換域的圖像加密方法和基于DNA計(jì)算的圖像加密方法。在大數(shù)據(jù)時(shí)代， 盡管可以用重復(fù)執(zhí)行現(xiàn)有單幅圖像加密方法的手段來保護(hù)多幅圖像內(nèi)容的安全，但是加密 效率往往較低。因此，設(shè)計(jì)了一種多幅圖像加密方法，在保證多幅圖像內(nèi)容安全的同時(shí)，可 有效地提高加密效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的：針對現(xiàn)有多數(shù)單幅圖像加密方法加密多幅圖像時(shí)效率低的問題， 提出一種基于PWLCM混沌的多幅圖像加密方法。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，采用的技術(shù)方案為基于PWLCM混沌的多 幅圖像加密方法，具體包括以下步驟： 步驟1:將k幅交互圖像I1，I1，…，Ik組合成一幅大圖像I; 步驟2:根據(jù)系統(tǒng)初始值和控制參數(shù)進(jìn)行PWLCM混沌系統(tǒng)迭代運(yùn)算，獲得兩個(gè)混沌序列X 和Y; 步驟3:利用混沌序列X，置亂大圖像I，獲得置亂大圖像Idlf; 步驟4:利用floor()取整函數(shù)對混沌序列Y整數(shù)化，獲得整數(shù)序列Y'; 步驟5:將置亂大圖像Idlf分割成k幅加密圖像； 步驟6:發(fā)送加密圖像給接收方。
[0007] 進(jìn)一步地，所述步驟1中，為加密k幅mXn同樣大小的交互圖像，即I1，I1，…，I k，按 照一定的順序?qū)⒎换D像轉(zhuǎn)化為一幅大圖像，若1^=1^1\1?沽1和1?均為正整數(shù)，則大圖像 可表示為
[0008] 進(jìn)一步地，所述步驟1中，隨機(jī)選取XQe (ο，1)和P1 e (ο，ο. 5)分別作為PWLCM混沌系 統(tǒng)的初始值和控制參數(shù)，利用如下公式(2)所示的混沌系統(tǒng)通過迭代kXmXn次，可產(chǎn)生一 個(gè)混純序列X={xi}kmn，
類似地，隨機(jī)選取y〇e(〇，l)和?2三（0,0.5)，可產(chǎn)生另外一個(gè)混沌序列￥={71}1 5。
[0009] 進(jìn)一步地，所述步驟1中，對對安照元素值大小進(jìn)行升序排列，可得到一個(gè)新混沌序 列 X/={xi' }kmn={xtl，Xt2,…，Xtkmn}，下標(biāo) tl，t2,…，tkmn是1，2，···，kmn 的一個(gè)全排列；按照元素 位置，對大圖像中的每個(gè)像素用阿拉伯?dāng)?shù)字1，2，···Λπιη進(jìn)行編碼，并按照此全排列對像素 進(jìn)行位置置亂，得到置亂大圖像I dlf。
[0010]進(jìn)一步地，所述步驟1中，假設(shè)計(jì)算機(jī)的精度為10-14,計(jì)算 yi'=floor(yiX 1014)，i=l，2,…，k， (3) 可得到一個(gè)整數(shù)序列γ'。
[0011]進(jìn)一步地，所述步驟1中，分割置亂大圖像Idlf成k幅mXn同等大小的圖像，即P1， P2，~，Pk視為該方法的加密圖像，并用f中的元素分別作為這k幅圖像的文件名。
[0012] 進(jìn)一步地，所述步驟1中，k幅加密圖像與密鑰乂()，7()印1印2不可一起發(fā)送;通過網(wǎng)絡(luò) 給接收方發(fā)送k幅加密圖像I el，I e2，···，〗密鑰的發(fā)送則通過較為安全的信道單獨(dú)發(fā)送。
[0013] 所述解密過程為加密過程的逆過程。
[0014] 有益效果:本發(fā)明針對現(xiàn)有多數(shù)單幅圖像加密方法加密多幅圖像時(shí)效率低問題， 難以適應(yīng)批量圖像加密的難點(diǎn)，提出一種基于PWLCM混沌的多幅圖像加密方法。主要貢獻(xiàn)有 以下3點(diǎn)：（1)以多幅圖像為加密對象，通過將多幅圖像轉(zhuǎn)化為單幅大圖像，加密單幅大圖 像，再將其轉(zhuǎn)化為多幅加密圖像的思想，實(shí)現(xiàn)對多幅圖像內(nèi)容的保護(hù)；（2)采用PWLCM混沌系 統(tǒng)對多幅圖像進(jìn)行批量加密，計(jì)算量小，提高了加密效率；（3)該方法依賴混沌理論，采用 PWLCM混沌系統(tǒng)對多幅圖像進(jìn)行像素位置置亂和加密圖像命名，密鑰敏感性強(qiáng)，密鑰空間 大，安全性高。
【附圖說明】
[0015]圖1:基于PWLCM混沌的多幅圖像加密方法加密流程圖； 圖2:交互圖像； 圖3:大圖像； 圖4:置亂圖像； 圖5:加密圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合具體附圖和實(shí)例對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0017]基于PWLCM混沌的多幅圖像加密方法加密流程圖，如圖1所示。
[0018] 采用的編程軟件為Matlab 7.0,選取圖2所示的9幅512X512同等大小的灰色圖像 為實(shí)驗(yàn)對象。采用基于PWLCM混沌的多幅圖像加密方法，對9幅交互圖像加密的具體過程如 下： 1.為加密9幅512X512同等大小的灰色交互圖像，即Ii，I2,…，19,發(fā)送方Alice按照一 定的順序?qū)?幅交互圖像轉(zhuǎn)化為一幅大圖像可表示為
如圖3所示。
[0019] 2.隨機(jī)選取χ〇=0· 28153489126924和ρι=0· 44537834013456分別作為PWLCM混沌系 統(tǒng)的初始值和控制參數(shù)，利用公式(2)所示混沌系統(tǒng)通過迭代9 X 512 X 512次，可產(chǎn)生一個(gè) 混沌序列X={xi}9x5i2x5i2。類似地，隨機(jī)選取 y〇=〇. 46567899345427 和 ρ2=〇· 1318464045214 2,可產(chǎn)生另外一個(gè)混純序列YMyi^xo，y〇，pi和Ρ2視為該方法的密鑰。
[0020] 3.對對安照元素值大小進(jìn)行升序排列，可得到一個(gè)新混沌序列Χ^χ，} 9X512X512 = {xtl，Xt2，…，Xt9X512X512}。因此，下標(biāo)tl，t2，…，?9Χ512Χ512是1，2，···，9Χ512 X 512的一個(gè)全排 列。按照元素位置，對大圖像中的每個(gè)像素用阿拉伯?dāng)?shù)字1，2,…，9X512X512進(jìn)行編碼，并 按照此全排列對像素進(jìn)行位置置亂，得到置亂大圖像I dlf，如圖4所示。
[0021] 4.利用公式(3)，可得到一個(gè)整數(shù)序列Y'。
[0022] 5.分割置亂大圖像Idif成9幅等512X512同等大小的圖像，即PSP 2，···，〗69，對應(yīng) 的文件名分別為f中的元素。這k幅圖像視為該方法的加密圖像，如圖5所示。
[0023] 6.發(fā)送9幅加密圖像Iel，Γ2，···，Γ9給接收方。
[0024] 上述實(shí)例中，接收方在已知密鑰的情況下，進(jìn)行上述加密過程的逆操作，即可實(shí)現(xiàn) 對加密圖像的解密，從而獲得9幅原始交互圖像。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于PWLCM混沌的多幅圖像加密方法，其特征在于，具體包括以下步驟： 步驟1:將k幅交互圖像I1，I1，…，Ik組合成一幅大圖像I; 步驟2:根據(jù)系統(tǒng)初始值和控制參數(shù)進(jìn)行PWLCM混沌系統(tǒng)迭代運(yùn)算，獲得兩個(gè)混沌序列X 和Y; 步驟3:利用混沌序列X，置亂大圖像I，獲得置亂大圖像Idlf; 步驟4:利用floor()取整函數(shù)對混沌序列Y整數(shù)化，獲得整數(shù)序列Y'; 步驟5:將置亂大圖像Idlf分割成k幅加密圖像； 步驟6:發(fā)送加密圖像給接收方。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PWLCM混沌的多幅圖像加密方法，其特征在于，所述步驟1 中的組合是指:為加密k幅mXn同樣大小的交互圖像，即I 1，〗1，…，Ik，按照一定的順序?qū)⒎?交互圖像轉(zhuǎn)化為一幅大圖像，若1^=1^ 1\1?汰1和1?均為正整數(shù)，則大圖像可表示為3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PWLCM混沌的多幅圖像加密方法，其特征在于，所述步驟 2中的PWLCM混沌系統(tǒng)迭代是指:隨機(jī)選取x Qe (〇，1)和Ple (〇，〇. 5)分別作為PWLCM混沌系統(tǒng) 的初始值和控制參數(shù)，利用如下公式(2)所示的混沌系統(tǒng)通過迭代kXmXn次，可產(chǎn)生一個(gè) 混純序列X={xi}kmn，類似地，隨機(jī)選取y〇e(〇，l)和P2e(0,0.5)，可產(chǎn)生另外一個(gè)混沌序列Y={yi} k。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PWLCM混沌的多幅圖像加密方法，其特征在于，所述步驟3 中的置亂大圖像是指：對對安照元素值大小進(jìn)行升序排列，可得到一個(gè)新混沌序列X'= { Xi ' } kmn= { Xtl，Xt2，…，Xtkmn }，下標(biāo)tl，t2，…，tkmn是1，2，…，kmn的一個(gè)全排列；按照元素位置， 對大圖像中的每個(gè)像素用阿拉伯?dāng)?shù)字1，2，···，kmn進(jìn)行編碼，并按照此全排列對像素進(jìn)行位 置置亂，得到置亂大圖像I dlf。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PWLCM混沌的多幅圖像加密方法，其特征在于，所述步驟4 中的整數(shù)化是指:假設(shè)計(jì)算機(jī)的精度為HT 14，計(jì)算 yi'=floor(yi X IO14)，i=l，2,…，k， (3) 可得到一個(gè)整數(shù)序列Y'。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PWLCM混沌的多幅圖像加密方法，其特征在于，所述步驟5 中的分割是指:分割置亂大圖像Idl^k幅mXn同等大小的圖像，即Γ 1，"2，···，Pk視為該方 法的加密圖像，并用Y'中的元素分別作為這k幅圖像的文件名。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PWLCM混沌的多幅圖像加密方法，其特征在于，所述步驟6 中的發(fā)送是指:k幅加密圖像與密鑰XQ，yo, pi，p2不可一起發(fā)送;通過網(wǎng)絡(luò)給接收方發(fā)送k幅 加密圖像I el，I θ2，···，Ι ek;密鑰的發(fā)送則通過較為安全的信道單獨(dú)發(fā)送。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PWLCM混沌的多幅圖像加密方法，其特征在于，解密過程 是加密過程的逆過程。
【專利摘要】一種基于分段線性混沌映射（Piecewise？Linear？Chaotic？Map，PWLCM）的多幅圖像加密方法，屬于信息加密領(lǐng)域?，F(xiàn)存圖像加密方法大多是以單幅圖像為加密對象，難以適用于大批量圖像加密的情形，且加密效率較低。區(qū)別于傳統(tǒng)的圖像加密方法，本發(fā)明以多幅圖像為加密對象，通過將多幅圖像轉(zhuǎn)化為單幅大圖像，加密單幅大圖像，再將其轉(zhuǎn)化為多幅加密圖像的思想，實(shí)現(xiàn)對多幅圖像內(nèi)容的保護(hù)。核心步驟：將<i>k</i>幅交互圖像組合成一幅大圖像；利用PWLCM混沌對大圖像進(jìn)行加密，得到一幅加密大圖像；將其分割成<i>k</i>幅加密圖像，并用PWLCM混沌產(chǎn)生的混沌序列對其依次命名。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方法易于實(shí)現(xiàn)，加密效果良好，加密效率和安全性高，可同時(shí)保護(hù)任意多幅圖像內(nèi)容的通信安全。
【IPC分類】H04N1/32
【公開號】CN105450899
【申請?zhí)枴緾N201510881049
【發(fā)明人】張曉強(qiáng), 王雪松, 程玉虎
【申請人】中國礦業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年3月30日
【申請日】2015年12月7日