基于明文的超混沌圖像統一密鑰加密方法技術

本發明專利技術公開了一種基于明文的超混沌圖像統一密鑰加密方法，在確保安全的前提下使用統一密鑰隨機安全的選擇像素點的位置，獲取這些位置上的像素生成密鑰，達到與明文相關聯。為了進一步提升安全性，對密鑰像素進行按位異或加密，并保證加密后的位置在密文中保持不變，而剩余像素由超混沌Lorenz系統生成的密鑰流進行置亂、DNA編碼、循環移位和擴散等一系列操作進行加密，超混沌系統的初始值由挑選的密鑰像素組成。實驗結果和數據表明，該算法具有良好的加密性能，加密機制可以有效抵御選擇明文攻擊，能夠達到一次一密的效果；在傳輸過程中，僅需傳輸密文圖像和密鑰，無需傳輸其它額外信息，密鑰存儲空間小且易于管理。密鑰存儲空間小且易于管理。密鑰存儲空間小且易于管理。

【技術實現步驟摘要】
基于明文的超混沌圖像統一密鑰加密方法


[0001]本專利技術屬于超混沌圖像統一密鑰加密
，具體涉及一種基于明文的超混沌圖像統一密鑰加密方法。

技術介紹

[0002]隨著網絡和信息技術的高速發展，語音和視頻等數據量大的多媒體數字信息可以在網絡上方便、快捷地傳輸。而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、直觀和生動等優點，它正在成為當今乃至今后信息表達方式的主流。但是，數字圖像帶給人們生活便利的同時其安全隱惠也日趨嚴峻。因此，如何保護圖像信息的安全已經成為國際上研究的熱點。但是由于圖像的固有特征，數據高度冗余、相鄰像素的強相關、數據變化的不敏感，使得傳統文檔加密方案不適合圖像加密[1
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2]。近年來，隨著對混沌理論的深入研究，混沌序列有利于加密的特征被發現，例如：非周期、類隨機、敏感性等。另外，其結構復雜，難于分析和預測的特點也有利于提高加密算法的安全性。因此，基于混沌理論的圖像加密成為保護圖像的一種重要方式[3]。
[0003]在Fridrich.J于1998年首次將混沌理論用于圖像加密當中[4]，隨后便出現許多基于混沌系統的圖像加密方案[5
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10]。在設計基于混沌理論圖像加密算法時主要考慮兩大方面：如何基于混沌動力系統生成密鑰流，以及如何設計加密算法。加密算法大致可以分為置亂和擴散兩個過程，基于這兩個過程的結合，提出了多種經典加密方法[11
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13]。如文獻[11]公開了通過將Tent映射與確定性有限狀態機混合的一維混沌系統TM
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DFSM，可以一次性執行置亂和擴散。文獻[12]中引入了一種高效的基于TD
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ERCS混沌的選擇性塊圖像加密，將圖像劃分為多個塊，計算每個塊的相關系數，相關系數大于特定值的的塊與Skew
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tent映射產生的混沌序列逐像素異或，最后再利用TD
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ERCS混沌系統生成的隨機序列進行置換。文獻[13]提出了一種利用寬度優先搜索進行置亂并采用動態擴散的超混沌圖像加密方案。DNA編碼方案是生物科學中處理信息的一種方法[14]。DNA編碼具有大規模并行計算和超低功耗的優點，同時結合DNA編碼可以潛在地改變圖像的像素位置和像素值，縮短加密時間，實現良好的加密效果[15]。因此結合混沌系統，基于DNA編碼加密方案被廣泛提出[16
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18]。文獻[16]提出一種基于由DNA組成動態s盒并結合混沌系統的圖像加密方案。文獻[17]提出了一種基于時空混沌的DNA刪除和插入的圖像加密算法。文獻[18]提出了一種基于DNA編碼和單向耦合映射(OCML)的彩色圖像加密算法，該算法魯棒性強且傳輸無損。
[0004]文獻[24
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29]公開的加密機制都是通過獲取明文的哈希值作為混沌系統的初始值，從而達到與明文相關聯。明文圖像的哈希值是獨一無二的，如果明文圖像發生微小的改變，哈希值就會發生改變，同時密鑰也將發生改變，從而達到一次一密的效果。與傳統的加密機制相比，這種機制雖然可以有效抵御選擇明文攻擊，但是在傳輸多個密文圖像的過程中，還需傳輸與明文相關的額外數據，這就造成密鑰的加密和解密過程過于復雜，同時增加了密鑰存儲空間和管理成本；由于傳輸的數據過多，傳輸過程中可能遭受數據竊取，篡改，丟失等風險，導致無法得到正確的密鑰，從而無法解密圖像。
[0005]參考文獻：
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【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.基于明文的超混沌圖像統一密鑰加密方法，其特征在于：將原始圖像中的像素分為密鑰像素和剩余像素，其中密鑰像素由Henon映射隨機安全地選取用于生成超混沌系統的初始值，對密鑰像素進行按位異或加密，并保持加密后的密鑰像素在密文中的位置為原始位置；剩余像素即原始圖像中取出密鑰像素后的剩余像素，對剩余像素采用由超混沌Lorenz系統生成的密鑰流進行置亂、DNA編碼、循環移位和擴散一系列操作進行加密；對密鑰像素和剩余像素分別采用不同的加密方式加密結束后，將這兩部分重新組合到一起即完成加密過程。2.根據權利要求1所述的基于明文的超混沌圖像統一密鑰加密方法，其特征在于生成超混沌系統的初始值的具體過程為：通過Henon映射在原始圖像中隨機、安全地選擇一些密鑰像素生成初始密鑰，作為超混沌系統的初始值，產生混沌序列，具體步驟如下：步驟S1：假設原始圖像img的大小為M
×
N，利用統一密鑰key1，key2作為Henon映射的初始值,迭代1000+M
×
N次生成兩個偽隨機序列H1，H2，并舍棄H1和H2中的前1000個元素和重復出現的元素；步驟S2：從H1和H2中選取四個序列，分別為h1、h2、h3、h4，其中h1＝H1(M:M+15)，h2＝H2(N:N+15)，h3＝H1(M+16:M+31)，h4＝H2(N+16:N+31)，對h1，h2進行公式(3)
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(4)處理，得到p1和p2作為挑選密鑰像素的行列下標，其中p1的取值范圍在1到M之間，p2的取值范圍在1到N之間；的取值范圍在1到N之間；步驟S3：通過p1和p2選出作為初始密鑰的的像素，用序列B＝[b1,b2,b3,...b
16
]表示，最后對像素值進行公式(5)的處理，為方便下一步處理，將p1和p2轉化為矩陣的序號，用序列D＝[d1,d2,d3,...d
16
]表示，B與D一一對應；步驟S4：超混沌系統的初始值為x0，y0，z0，w0，由密鑰key3，key4，key5和key6和處理過的像素值組成，具體操作如公式(6)表示；利用初始值x0，y0，w0，z0，通過迭代超混沌Lorenz系統(1000+(M
×
N
?
16))次來生成四個混沌序列x，y，w和z，為了消除瞬態效應，每個序列的前1000個值將被舍棄。3.根據權利要求2所述的基于明文的超混沌圖像統一密鑰加密方法，其特征在于密鑰像素進行加密的具體過程為：初始密鑰生成后，對序列B進行加密，加密方式為按位異或加密，具體步驟如下：步驟S1：對h3進行公式(7)處理，得到p3；
步驟S2：對B和p3進行按位異或，得到加密的序列B1。4.根據權利要求3所述的基于明文的超混沌圖像統一密鑰加密方法，其特征在于剩余像素進行加密的具體過程為：步驟S1：將作為密鑰的像素取出，并重新調整矩陣；(1)將原始矩陣img的大小調整為(1,M
×
N)，取出作為密鑰的像素，并記錄其位置，B中存放作為密鑰的像素，B1是B加密后的序列，D存放其位置，B1與D一一對應，取出密鑰像素后的矩陣為img1；(2)將img1矩陣的大小調整為(m,n)，m，n通過公式(8)
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(9)處理得到；n＝s/m
???????????????????????????????
(9)其中，img1矩陣的大小為(1、s)，s＝M
×
N
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16，找到s的所有因數，并進行升序排序，將排序后s的所有因數存放于序列F當中，F序列的長度為L；步驟S2：第一輪置亂對img1矩陣進行第一輪置換，將img1的大小調整為為(1、m
×
n)，對w,z兩個混沌序列進行公式(10)處理得到序列Z0，對序列Z0進行升序排序，升序排列后得到的索引值將用于img1重新排序，排序后的矩陣為img2，調整img2的大小為(m,n)；步驟S3：DNA操作將x，y，w三個混沌序列進行公式(11)
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(14)處理得到Z1，Z2，Z3和Z4，Z1，Z2和Z3的范圍在1到8之間，作為DN...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李名，王夢蝶，竇育強，劉艷芳，張會芝，范海菊，岳燕歌，信鑫，
申請(專利權)人：河南師范大學，
類型：發明
國別省市：