CN102609893A - 一种数字图像加密和解密方法 - Google Patents

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CN102609893A CN2012100088808A CN201210008880A CN102609893A CN 102609893 A CN102609893 A CN 102609893A CN 2012100088808 A CN2012100088808 A CN 2012100088808A CN 201210008880 A CN201210008880 A CN 201210008880A CN 102609893 A CN102609893 A CN 102609893A
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Abstract

本发明公开一种数字图像加密和解密方法，该加密方法为：根据待加密图像指定加密后图像的灰度值范围；将待加密图像划分为相同大小的像素块，并通过公式计算像素均值；根据用户预先设置的48位二进制密钥流生成子密钥，并根据像素均值建立Logistic映射；根据Logistic映射生成的浮点数转化为二进制序列，以将二进制序列作为下一个像素块的子密钥；基于改进的Arnold变换对各个像素块内像素进行置乱操作，并将置乱后的像素块组合成矩阵；通过对矩阵中相邻像素进行替换操作，以形成密文图像。根据用户的需求对图像进行不同轮数的加密，并能抵抗各种滤波攻击的同时，实现图像像素均值不变，以保持原有图像的整体风貌。

Description

一种数字图像加密和解密方法
技术领域
本发明涉及图像处理领域，尤其涉及一种数字图像加密和解密方法。
背景技术
随着互联网和通信技术的不断发展，数字图像作为最直观、生动、形象的信息载体在日常生活中的使用也越来越广泛，并逐渐成为一种主流的网络信息表达方式，它不但方便快捷，不受地域的限制，而且费用很低，效率较高。传统图片经销商的销售模式也逐渐转变为电子商务模式。在这种商业背景下，为了解决客户在决定是否购买数字图片之前能够对图片的基本信息进行预览的问题，提出了数字图像选择加密模式，虽然选择加密后的图像仍保留着其主要内容，但从视觉效果上观察比原始图像要更粗糙，这样客户在对退化图像体验之后决定购买时，则为其提供在线或离线恢复的解密密钥即可，这也就实现了“先试后买”的商业双赢模式，无论客户还是经销商均可从中得到好处。
众所周知，传统经典密码算法DES, AES以及 IDEA等都是针对文本信息设计的，要对数字图像进行加密，最直接的方式就是将以二维数组格式存储的图像数据转换成二进制的数据流后，采用传统加密标准对其进行加密处理。但是数字图像的数据量大，冗余度高等特点使得采用传统算法进行加密，不但要消耗大量的时间和资源，而且加密后的图像仍有明显的不可控轮廓信息，这在实际加密应用中是不能接受的。
近年来国内外专家学者在数字图像加密技术领域经过长期细致而深入地研究，取得了丰硕的科研成果，提出基于“揉面团”思想和图像编码的多种图像加密技术，但得到的是一幅类似白噪声毫无意义的图像，这在数字图像若作为电子商品在互联网上进行在线销售时，很难想象客户对其产生购买的欲望。
为此研究者提出了像素选择、位平面选择以及频域选择的图像选择加密算法。但是由于图像中相邻的像素点之间具有很强的相关性和较大的空间冗余。若只加密其部分像素，则剩余像素仍然可以为攻击者提供大量的信息。这样被加密的像素就可以简单地认为是一种比较容易消除的噪声而已，如果对其进行均值滤波、中指滤波和维纳滤波攻击，很容易得到效果不错的图像。同样在由于图像中的能量在频域分布不均导致加密程度不可控，即要么加密后图像中的大部分内容依然存在，要么就是图像质量将会急剧下降，不能很好地适用于商业应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的加密不可控和图像质量不佳的缺陷，提供一种数字图像加密和解密方法，该技术方案根据用户的需求对待加密图像的进行不同轮数的加密，并能抵抗各种滤波攻击的同时，实现图像像素均值不变，以保持原有图像的整体风貌。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种数字图像加密方法，所述方法包括以下步骤：
A1.根据待加密图像指定加密后图像的灰度值范围，假定该灰度值范围为[Vmin,Vmax]；
B1.将待加密图像划分为                                               
Figure 2012100088808100002DEST_PATH_IMAGE002
个相同大小的像素块，每个像素块中的像素值为，并通过下述公式计算像素均值P,其中，n为大于零的自然数，
Figure 2012100088808100002DEST_PATH_IMAGE006
； 
C1.根据用户预先设置的48位二进制密钥流K生成子密钥，并根据像素均值P建立Logistic映射数学模型，其中， 
Figure 2012100088808100002DEST_PATH_IMAGE008
,
Figure 2012100088808100002DEST_PATH_IMAGE010
的值为1或者0；
D1.根据Logistic映射数学模型生成的浮点数转化为二进制序列，以将该二进制序列作为下一个像素块的子密钥；
E1.基于改进的Arnold变换对每个像素块内像素进行置乱操作，并将置乱后的像素块组合成矩阵I；
F1.通过对矩阵I中相邻像素
Figure 2012100088808100002DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 2012100088808100002DEST_PATH_IMAGE014
进行替换操作，以形成密文图像
Figure 2012100088808100002DEST_PATH_IMAGE016
。
在本发明所述的加密方法中，所述步骤F1之后还包括以下步骤：
G1.根据待加密图像的退化程度，循环步骤A1至F1。
在本发明所述的加密方法中，所述步骤C1中所建立的Logistic映射数学模型为：
                         ,
Figure 2012100088808100002DEST_PATH_IMAGE020
，
其中，
Figure 2012100088808100002DEST_PATH_IMAGE022
;
Figure 2012100088808100002DEST_PATH_IMAGE024
。
在本发明所述的加密方法中，所述步骤D1中根据Logistic映射数学模型生成的浮点数具体为：
Figure 2012100088808100002DEST_PATH_IMAGE026
，其中，L为浮点数的位数，L为大于零的自然数。
在本发明所述的加密方法中，所述步骤D1中二进制序列为：
Figure 2012100088808100002DEST_PATH_IMAGE028
。
在本发明所述的加密方法中，所述步骤E1中基于改进的Arnold变换对每个像素块内像素进行置乱操作具体公式为：
Figure 2012100088808100002DEST_PATH_IMAGE030
，            
其中，分别为像素块置乱前各像素点的坐标，
Figure 2012100088808100002DEST_PATH_IMAGE034
分别为像素块置乱后各像素点的坐标，
Figure 2012100088808100002DEST_PATH_IMAGE036
。
在本发明所述的加密方法中，所述步骤F1中替换操作具体包括：
若满足
Figure 283657DEST_PATH_IMAGE012
<Vmin且
Figure 200798DEST_PATH_IMAGE014
<Vmax，则：
Figure 2012100088808100002DEST_PATH_IMAGE038
；
若不满足
Figure 855901DEST_PATH_IMAGE012
<Vmin且
Figure 251110DEST_PATH_IMAGE014
<Vmax，则：
Figure 2012100088808100002DEST_PATH_IMAGE040
。
本发明还构造一种数字图像解密方法，所述解密方法包括以下步骤：
A2.将密文图像
Figure 439384DEST_PATH_IMAGE016
划分为个相同大小的像素块，每个像素块中的像素值为
Figure 466563DEST_PATH_IMAGE004
，并通过下述公式计算像素均值P,其中，n为大于零的自然数，
； 
B2.根据用户预先设置的48位二进制密钥流K生成子密钥，并根据像素均值P建立Logistic映射数学模型，其中， 
Figure 711173DEST_PATH_IMAGE008
,
Figure 704537DEST_PATH_IMAGE010
的值为1或者0;
C2.根据Logistic映射数学模型生成的浮点数转化为二进制序列，以将该二进制序列作为下一个像素块的子密钥；
D2.通过像素块内的相邻像素
Figure 2012100088808100002DEST_PATH_IMAGE042
和
Figure 2012100088808100002DEST_PATH_IMAGE044
进行替换操作，其替换操作具体为；
若满足
Figure 334232DEST_PATH_IMAGE042
<Vmin且<Vmax，则：
,
若不满足
Figure 968531DEST_PATH_IMAGE042
<Vmin且<Vmax，则：
Figure 2012100088808100002DEST_PATH_IMAGE048
;
E2.基于改进的Arnold变换对每个像素块内像素进行逆置乱操作，并将逆置乱后的像素块组合成矩阵E,以形成明文图像，所述逆置乱与步骤E1中的置乱互为反运算。
在本发明所述的解密方法中,所述步骤E2之后还包括以下步骤：
F2.根据加密操作所进行的轮数，循环步骤A2至E2。
在本发明所述的解密方法中，所述步骤B2中所建立的Logistic映射数学模型为：
                         
Figure 453050DEST_PATH_IMAGE018
,，
其中，
Figure 822511DEST_PATH_IMAGE022
;
Figure 95360DEST_PATH_IMAGE024
。
实施本发明的技术方案，具有以下有益效果：根据用户的需求对待加密图像进行不同轮数的加密，并能抵抗各种滤波攻击的同时，实现图像像素均值不变，以保持原有图像的整体风貌。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明数字图像加密方法的流程图；
图2是本发明数字图像解密方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，图1是本发明数字图像加密方法的流程图，如图1所示，所述加密方法包括以下步骤：
在步骤A1中，根据待加密图像指定加密后图像的灰度值范围，假定该灰度值范围为[Vmin,Vmax],应当说明的是，该灰度值范围一般可根据用户的需求自行选择，在本实施例中，该灰度值范围为[30,225]，本领域的技术人员应当了解，这里不再赘述。
在步骤B1中，将待加密图像划分为
Figure 824282DEST_PATH_IMAGE002
个相同大小的像素块，每个像素块中的像素值为，并通过下述公式计算像素均值P,其中，n为大于零的自然数，在本实施例中，n可取8，
Figure 276440DEST_PATH_IMAGE006
。
值得一提的是，该步骤是为了实现图像像素均值不变的情况下，保持图像原有的整体风貌。
在步骤C1中，根据用户预先设置的48位二进制密钥流K生成子密钥，并根据像素均值P建立Logistic映射数学模型，其中， 
Figure 48087DEST_PATH_IMAGE008
,
Figure 434944DEST_PATH_IMAGE010
的值为1或者0，应当说明的是，二进制密钥流K根据待加密图像自身的特点可自行定义，在本实施例中，截取48位二进制密钥流K一般的做法的是若二进制密钥流K的长度大于48位，用户只需截取其中的连续的48位即可，若二进制密钥流K的长度小于48位，用户可在该二进制密钥流K后面补零，直到该二进制密钥流K的长度等于48位，本领域的技术人员应当了解，这里不再赘述。
优选地，所述步骤C1中所建立的Logistic映射数学模型为：
                         
Figure 255132DEST_PATH_IMAGE018
,
Figure 545299DEST_PATH_IMAGE020
，
其中，
Figure 487847DEST_PATH_IMAGE022
;
Figure 863465DEST_PATH_IMAGE024
。
在步骤D1中，根据Logistic映射数学模型生成的浮点数转化为二进制序列，以将该二进制序列作为下一个像素块的子密钥；
优选地，所述步骤D1中根据Logistic映射数学模型生成的浮点数具体为：
Figure 723230DEST_PATH_IMAGE026
，其中，L为浮点数的位数，L为大于零的自然数。
优选地，所述步骤D1中二进制序列为：
Figure 195800DEST_PATH_IMAGE028
。
在步骤E1中，基于改进的Arnold变换对每个像素块内像素进行置乱操作，并将置乱后的像素块组合成矩阵I；
优选地，所述步骤E1中基于改进的Arnold变换对每个像素块内像素进行置乱操作具体公式为：
Figure 246932DEST_PATH_IMAGE030
，            
其中，
Figure 109846DEST_PATH_IMAGE032
分别为像素块置乱前各像素点的坐标，
Figure 334154DEST_PATH_IMAGE034
分别为像素块置乱后各像素点的坐标，
Figure 333334DEST_PATH_IMAGE036
。
在步骤F1中，通过对矩阵I中相邻像素和
Figure 466430DEST_PATH_IMAGE014
进行替换操作，以形成密文图像
Figure 432112DEST_PATH_IMAGE016
。
优选地，所述步骤F1中替换操作具体包括：
若满足
Figure 551378DEST_PATH_IMAGE012
<Vmin且
Figure 678734DEST_PATH_IMAGE014
<Vmax，则：
Figure 17705DEST_PATH_IMAGE038
；
若不满足
Figure 521498DEST_PATH_IMAGE012
<Vmin且<Vmax，则：
Figure 121424DEST_PATH_IMAGE040
。
在步骤G1中，根据待加密图像的退化程度，循环步骤A1至F1，应当说明的是，用户可通过多次循环步骤A1至F1，增加图像的加密性，以抵抗各种滤波攻击。
请参阅图2，图2是本发明数字图像解密方法的流程图，如图2所示，所述解密方法包括以下步骤：
在步骤A2中，将密文图像
Figure 446226DEST_PATH_IMAGE016
划分为
Figure 816027DEST_PATH_IMAGE002
个相同大小的像素块，每个像素块中的像素值为
Figure 142841DEST_PATH_IMAGE004
，并通过下述公式计算像素均值P,其中，n为大于零的自然数，
Figure 877579DEST_PATH_IMAGE006
； 
在步骤B2中，根据用户预先设置的48位二进制密钥流K生成子密钥，并根据像素均值P建立Logistic映射数学模型，其中， 
Figure 424098DEST_PATH_IMAGE008
,
Figure 597590DEST_PATH_IMAGE010
的值为1或者0;
优选地，所述步骤B2中所建立的Logistic映射数学模型为：
                         
Figure 545955DEST_PATH_IMAGE018
,
Figure 953059DEST_PATH_IMAGE020
;
其中，
Figure 49191DEST_PATH_IMAGE022
;
Figure 698478DEST_PATH_IMAGE024
。
在步骤C2中，根据Logistic映射数学模型生成的浮点数转化为二进制序列，以将该二进制序列作为下一个像素块的子密钥；
在步骤D2中，通过像素块内的相邻像素
Figure 501349DEST_PATH_IMAGE042
和
Figure 640206DEST_PATH_IMAGE044
进行替换操作，其替换操作具体为；
若满足
Figure 161317DEST_PATH_IMAGE042
<Vmin且
Figure 847251DEST_PATH_IMAGE044
<Vmax，则：
Figure 770208DEST_PATH_IMAGE046
,
若不满足
Figure 79967DEST_PATH_IMAGE042
<Vmin且
Figure 88374DEST_PATH_IMAGE044
<Vmax，则：
Figure 79464DEST_PATH_IMAGE048
;
在步骤E2中，基于改进的Arnold变换对每个像素块内像素进行逆置乱操作，并将逆置乱后的像素块组合成矩阵E,以形成明文图像，所述逆置乱与步骤E1中的置乱互为反运算。
在步骤F2中，根据加密操作所进行的轮数，循环步骤A2至E2。
相较于现有技术，根据用户的需求对待加密图像进行不同轮数的加密，并能抵抗各种滤波攻击的同时，实现图像像素均值不变，以保持原有图像的整体风貌。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种数字图像加密方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
A1.根据待加密图像指定加密后图像的灰度值范围，假定该灰度值范围为[Vmin,Vmax]；
B1.将待加密图像划分为                                                
Figure 973061DEST_PATH_IMAGE001
个相同大小的像素块，每个像素块中的像素值为
Figure 197544DEST_PATH_IMAGE002
，并通过下述公式计算像素均值P,其中，n为大于零的自然数，
； 
C1.根据用户预先设置的48位二进制密钥流K生成子密钥，并根据像素均值P建立Logistic映射数学模型，其中， 
Figure 917556DEST_PATH_IMAGE004
,
Figure 865920DEST_PATH_IMAGE005
的值为1或者0；
D1.根据Logistic映射数学模型生成的浮点数转化为二进制序列，以将该二进制序列作为下一个像素块的子密钥；
E1.基于改进的Arnold变换对每个像素块内像素进行置乱操作，并将置乱后的像素块组合成矩阵I；
F1.通过对矩阵I中相邻像素
Figure 771559DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 867691DEST_PATH_IMAGE007
进行替换操作，以形成密文图像
Figure 749934DEST_PATH_IMAGE008
。
2.根据权利要求1所述的加密方法，其特征在于，所述步骤F1之后还包括以下步骤：
G1.根据待加密图像的退化程度，循环步骤A1至F1。
3.根据权利要求2所述的加密方法，其特征在于，所述步骤C1中所建立的Logistic映射数学模型为：
                        
Figure 818385DEST_PATH_IMAGE009
,
Figure 957242DEST_PATH_IMAGE010
，
其中，;
Figure 665752DEST_PATH_IMAGE012
。
4.根据权利要求3所述的加密方法，其特征在于，所述步骤D1中根据Logistic映射数学模型生成的浮点数具体为：
，其中，L为浮点数的位数，L为大于零的自然数。
5.根据权利要求4所述的加密方法，其特征在于，所述步骤D1中二进制序列为：
Figure 337615DEST_PATH_IMAGE014
。
6.根据权利要求5所述的加密方法，其特征在于，所述步骤E1中基于改进的Arnold变换对每个像素块内像素进行置乱操作具体公式为：
Figure 408339DEST_PATH_IMAGE015
，            
其中，
Figure 399429DEST_PATH_IMAGE016
分别为像素块置乱前各像素点的坐标，
Figure 176892DEST_PATH_IMAGE017
分别为像素块置乱后各像素点的坐标，
。
7.根据权利要求6所述的加密方法，其特征在于，所述步骤F1中替换操作具体包括：
若满足
Figure 386211DEST_PATH_IMAGE006
<Vmin且<Vmax，则：
Figure 812962DEST_PATH_IMAGE019
；
若不满足
Figure 402206DEST_PATH_IMAGE006
<Vmin且<Vmax，则：
Figure 281880DEST_PATH_IMAGE020
。
8.一种数字图像解密方法，其特征在于，所述解密方法包括以下步骤：
A2.将密文图像
Figure 768356DEST_PATH_IMAGE008
划分为
Figure 794081DEST_PATH_IMAGE001
个相同大小的像素块，每个像素块中的像素值为
Figure 61114DEST_PATH_IMAGE002
，并通过下述公式计算像素均值P,其中，n为大于零的自然数，
Figure 932118DEST_PATH_IMAGE003
； 
B2.根据用户预先设置的48位二进制密钥流K生成子密钥，并根据像素均值P建立Logistic映射数学模型，其中， 
Figure 37215DEST_PATH_IMAGE004
,
Figure 296158DEST_PATH_IMAGE005
的值为1或者0;
C2.根据Logistic映射数学模型生成的浮点数转化为二进制序列，以将该二进制序列作为下一个像素块的子密钥；
D2.通过像素块内的相邻像素
Figure 722591DEST_PATH_IMAGE021
和进行替换操作，其替换操作具体为；
若满足
Figure 186251DEST_PATH_IMAGE021
<Vmin且
Figure 288199DEST_PATH_IMAGE022
<Vmax，则：
Figure 968972DEST_PATH_IMAGE023
,
若不满足<Vmin且<Vmax，则：
;
E2.基于改进的Arnold变换对每个像素块内像素进行逆置乱操作，并将逆置乱后的像素块组合成矩阵E,以形成明文图像，所述逆置乱与步骤E1中的置乱互为反运算。
9.根据权利要求8所述的解密方法，其特征在于,所述步骤E2之后还包括以下步骤：
F2.根据加密操作所进行的轮数，循环步骤A2至E2。
10.根据权利要求9所述的解密方法，其特征在于，所述步骤B2中所建立的Logistic映射数学模型为：
                        
Figure 764704DEST_PATH_IMAGE009
,，
其中，
Figure 43293DEST_PATH_IMAGE011
;
Figure 487044DEST_PATH_IMAGE012
。
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