CN104468090B - 基于图像像素坐标的汉字密码编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于图像像素坐标的汉字密码编码方法，其加密过程：(1)输入明文汉字字符串，并取出字符串长度K；(2)分别读取公钥图像f1和私钥图像f2，生成密钥图像F，并取出图像大小M×N；(3)把每个汉字转换成二进制数据并分割成高低两个字节块，分别存储到元胞数组destr{i,1}和destr{i,2}中；(4)在F中分别循环查找与元胞数组destr{i,1}、destr{i,2}匹配的像素值，并读取其像素坐标存储到二维矩阵left[x,y]和right[x,y]中；(5)随机取出left[x,y]和right[x,y]中的两个坐标值来替代该汉字的高字节和低字节块；(6)把这两个坐标的4个值按约定换位顺序进行换位，输出到四维矩阵xyv[]中；(7)当i＝K时加密过程结束，输出K行四维矩阵xyv[]即为密文。本加密方法具保密性好、密钥管理灵活方便的优点，是一种安全的汉字密码编码方法。

Description

基于图像像素坐标的汉字密码编码方法

技术领域

本发明涉及一种基于数字图像的汉字密码编码方法，是一种新的汉字加密算法和密码编码方法，属于密码编码学和信息安全领域。

背景技术

随着计算机及计算机网络的普及应用和发展，消息保密和信息安全问题越来越重要，甚至已经提升到国家安全的战略高度。密码编码学是信息安全领域的研究重点之一，而密码编码和密码算法又是密码编码学中的核心内容。

传统密码算法中典型的是替代密码和换位密码。替代密码是指明文中的每一个字符/位被替换成密文中的另外一个字符/位，包括单字母替代、多字母替代以及多表替代密码等。换位密码是指打乱明文字符的顺序，即按照某种顺序规则对明文字符进行换位的过程。无论是替代密码还是换位密码，都具有明显的字符频率特征，抗密码分析能力较弱，密码分析者通过对密文的频数统计分析来破译这种密码非常容易，即使是多表替代密码具有很长的密码周期，但在已知明文的情况下使用计算机来攻击破译也不是很难的问题。

现代密码算法中典型的是对称密钥DES算法和公开密钥RSA算法。DES算法使用一个对称密钥进行加密和解密，在密钥管理和分配环节存在一定问题，其优点是抗密码分析能力极其强大，因此是公认的通用加密标准。RAS算法是基于大数分解的原理，相对于DES算法来说计算更复杂，且抗穷举攻击能力较差，但RAS采用公钥和私钥两个密钥，在密钥的管理和分配上相对简单，因此在认证领域更具有应用意义。无论是DES算法还是RAS算法，同样都是密码分析者研究的主要攻击方向，都不得不依赖于更强大的密钥长度来抵抗无休止的密码分析，而密钥越大，其加密和解密过程的计算就越复杂。更重要的是，DES算法中S盒的设计标准是不公开的，谁也不敢保证其中有没有陷门，因此从国家信息安全的角度来说，这是一个非常严重的安全威胁。

随着多媒体技术的发展，现代密码体制将数字图像作为二进制流进行加密。密码编码者热心于运用各种复杂的数学公式、曲线和矩阵来研究对图像的加密和安全保护，包括脱胎于传统隐写术的图像隐藏技术、保护数字多媒体版权的数字水印技术以及对数字图像进行加密的图像置乱技术等，但尚未发现利用RGB数字图像像素坐标对汉字消息进行替换加密和安全保护的密码编码方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的汉字密码编码方法：像素坐标汉字密码(PixelCoordinate Chinese Character Cipher，本发明密码)。该方法是利用RGB数字图像中丰富的像素数据来对汉字数据进行替代和换位的新的密码编码方法。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

基于图像像素坐标的汉字密码编码方法，包括加密和解密两个部分；其特征在于：所述的加密过程的主要步骤如下：

(1)输入明文汉字字符串thestr，并取出字符串长度K；

(2)分别读取图像公钥文件f1和图像私钥文件f2，叠加或融合生成密钥图像文件F＝λ₁*f1+λ₂*f2，，其中λ₁、λ₂为叠加系数λ₁+λ₂＝1，并取出图像大小[m,n]＝size(f)；

(3)把汉字字符串转换成二进制比特串，并把每一个汉字字符分割成高位字节和低位字节两块，分别存储到元胞数组destr{i,1}和destr{i,2}中；

(4)在循环条件i＝1:K下，在F中反复查找与高字节元胞数组destr{i,1}匹配的像素值，读取其像素坐标并存储到二维矩阵left[x y]中，记录其行数numleft；

(5)在密钥图像文件F中反复查找与低字节元胞数组destr{i,2}匹配的像素值，读取其像素坐标并存储到二维矩阵right[x y]中，记录其行数numright；

(6)分别取随机数γ₁和γ₂，且1<＝γ₁<＝numleft，1<＝γ₂<＝numright；

(7)分别取出矩阵left[x y]第γ₁行和right[x y]第γ₂行的值，即第一个汉字的高字节替代坐标(left(x1),left(y1))和低字节替代坐标(right(x1),right(y1))；

(8)把这四个坐标值按任意换位顺序进行换位，输出到四维矩阵xyv[]中；

(9)若i不等于K，跳转到步骤(4)，加密下一个汉字字符块；

(10)当i＝K时加密过程结束，得到K行四维矩阵v[]，即为输出密文。

所述的解密过程的主要步骤如下：

(1)接收密文矩阵xyv[]，读取矩阵xyv[]的行数和列数[P,Q]＝size(xyv)；

(2)分别读取公钥图像f1和私钥图像f2，叠加或融合生成密钥图像文件F；F＝λ₁*f1+λ₂*f2，，其中叠加系数λ₁、λ₂的值与加密过程相同，对密文矩阵xyv[]按加密过程中的换位顺序的逆顺序进行换位，生成还原矩阵xyv2[]；

(3)开始解密处理，循环条件：i＝1:P；

(4)依次取出xyv2[i：]中的坐标值，在F中读取对应的像素值，写入向量ep(i)；

(5)把向量ep(i)中的字节两两连接成16位比特串，转换成汉字字符输出；

(6)若i不等于P，跳转到步骤(4)，解密下一个汉字字符块；

(7)当i＝P时解密过程结束，得到依次输出的明文汉字字符串。

所述的字符包括英文字符在内的具有数字特征的其它字符或字母。

所述的图像包括RGB图像、索引图像、灰度图像等具有数字特征的其它类型图像。

所述的密钥图像包括单张数字图像或多张数字图像经过叠加、融合、分割等计算机方法处理的数字图像。

所述的字符分割包括任意单位长度的字符分割或分块方法。

所述的输出密文包括二进制、八进制、十进制、十六进制等其他进制数的表示方法。

本发明的有益效果：本方法采用匹配的RGB图像像素的二维坐标替代需要保密传输和存储的汉字字符，生成两个分别对应汉字高位字节和低位字节的坐标矩阵，再换位输出密文。能够实现并保证汉字消息在网络传输和计算机存储过程中的保密性、完整性和安全性，不但具有算法简单、密钥管理方便和易于实现的优点，而且具有很强的鲁棒性及抗密码分析能力。

附图说明

图1是本发明密码加密过程原理图。

图2是汉字转换与分割原理图。

图3是图像F像素分布示例图。

图4是匹配像素坐标矩阵示例图。

图5是本发明密码算法程序测试的截图。

图6是本发明密码替代/换位输出密文的截图。

图7是高斯低通滤波攻击测试一的截图。

图8是高斯低通滤波攻击测试二的截图。

图9是剪切攻击测试一的截图。

图10是剪切攻击测试二的截图。

图11是椒盐噪声攻击测试一的截图。

图12是椒盐噪声攻击测试二的截图。

具体实施方式

一、本发明的设计思想如下：

1、汉字字符在计算机和网络中都是以二进制数字的形式存在，与RGB数字图像的像素值具有相同的数字特征，因此对每一个汉字字符都可以在适当的RGB图像中找到完全匹配的二进制比特串，并取出相应的像素坐标来替代这个汉字字符进行传输和存储。

2、通过随机数选取RGB图像中与汉字字符相匹配的二进制比特串，并使用对应的像素坐标来替代该汉字字符，这样可以避免替代密码的频率特征，完全解决替代密码的频数统计分析攻击问题。

3、把汉字字符分割成两个字节或者更多的分块，对每一个分块进行像素匹配并分别生成坐标替代矩阵，再对这些矩阵进行换位输出密文，可以增强本发明密码的抗密码分析能力。

4、使用分辨率很大的RGB图像，尤其是使用多幅图像融合或叠加的生成图像作为本发明密码的图像密钥(像素坐标源)，可以大大增强其抗椒盐噪声攻击和抗剪切攻击能力，即具有很强的鲁棒性，而且可以进一步提高本发明密码的抗密码分析能力。

5、本发明中采用两张图像融合或叠加的方法，一张是收发双方手中各自保留的对称的私密图像，一张是互联网中的公开图像，二者进行叠加或融合生成图像密钥，即具有对称密钥保密性好的特点，又具有公开密钥分配灵活的特点，不但适用点对点通信，尤其满足一对多通信的保密性、灵活性和安全性的要求。

6、使用互联网中的公开图像公钥，可以采用一次一换的方法，这样使得本发明中本发明密码在某种程度上具有了一次一密特点，而一次一密密码在抗密码分析能力上是公认的几乎完美的密码方案。

二、结合附图，对本发明密码的实现方法进行详细说明如下：

基于图像像素坐标的汉字密码编码方法，具体包括加密和解密两个部分。

第一部分，加密过程，如图1所示，主要步骤如下：

(1)输入明文汉字字符串thestr，并取出字符串长度K；

(2)分别读取图像公钥f1＝imread('cai6.jpg')和图像私钥f2＝imread('cai7.jpg')，并叠加(或融合)生成密钥图像F＝f1*λ₁+f2*λ₂，取出图像大小[m,n]＝size(f)；(λ₁+λ₂＝1，且图像f1和f2的大小应相同)；

(3)把汉字字符串转换成二进制比特串，并把每一个汉字字符分割成高位字节和低位字节两块，分别存储到元胞数组destr{i,1}和destr{i,2}中，(见图2)。

(4)在循环条件：i＝1:K下，在F中反复查找与高字节元胞数组destr{i,1}匹配的像素值(图3)，读取其像素坐标并存储到二维矩阵left[x y]中，(图4)，记录其行数numleft；

(5)在F中反复查找与低字节元胞数组destr{i,2}匹配的像素值，读取其像素坐标并存储到二维矩阵right[x y]中(图4)，记录其行数numright；

(6)分别取随机数γ₁和γ₂；(1<＝γ₁<＝numleft，1<＝γ₂<＝numright)

(7)分别取出矩阵left[x y]第γ₁行和矩阵right[x y]第γ₂行的值(图4)，即第一个汉字的高字节替代坐标(left(x1),left(y1))和低字节替代坐标(right(x1),right(y1))；

(8)把这四个坐标值按“3412”换位顺序进行换位，输出到四维矩阵xyv[right(x1),right(y1)，left(x1),left(y1)]；

(9)若i不等于K，跳转到步骤4，加密下一个汉字字符块；

(10)当i＝K时加密过程结束，得到K行四维矩阵；

xyv[right(x1),right(y1)，left(x1),left(y1)]，即为输出密文。

其中本实施方式中，加密过程的第(8)步，四个坐标值换位顺序可自行约定，本例中记载的是按照，“3412”顺序换位。

按照不同顺序换位生成的矩阵明细如表1所示：

表1

第二部分，解密过程的主要步骤如下：

(1)接收密文矩阵xyv[right(x),right(y),left(x),left(y)]，读取[p,q]＝size(xyv)；

(2)分别读取公钥图像f1＝imread('cai6.jpg')和私钥图像f2＝imread('cai7.jpg')，叠加(或融合)生成密钥图像F＝f1*λ₁+f2*λ₂；(λ₁、λ₂的值与加密过程相同)

(3)对密文矩阵xyv[right(x),right(y),left(x),left(y)]按“3412”的逆顺序进行换位，生成矩阵xyv2[left(x),left(y),right(x),right(y)]；

(4)开始解密处理，循环条件：i＝1:P；

(5)依次取出xyv2[i：]中的坐标值，在F中读取对应的像素值(字节)，并写入向量ep(i)；

(6)把向量ep(i)中的字节两两连接成16位比特串，转换成汉字字符输出；

(7)若i不等于P，跳转到步骤4，解密下一个汉字字符块。

(8)当i＝P时解密过程结束，得到依次输出的明文汉字字符串。

其中，所述的字符包括英文字符在内的具有数字特征的其它字符或字母。所述的图像包括RGB图像、索引图像、灰度图像等具有数字特征的其它类型图像。所述的密钥图像包括单张数字图像或多张数字图像经过叠加、融合、分割等计算机方法处理的数字图像。所述的字符分割包括任意单位长度的字符分割或分块方法。所述的输出密文包括二进制、八进制、十进制、十六进制等其他进制数的表示方法。

实验证明，本发明密码对汉字字符消息串进行像素坐标替代/换位输出的消息密文，是完全没有频率特征的二进制比特串(十进制形式)，而且在正常网络环境中的解码正确率可以达到100％。

附图5给出了本发明密码算法程序的测试结果，包括汉字明文、密文矩阵及解码字符，可见，本发明密码实现了通过数字图像像素坐标对汉字字符进行替代/换位的加密方法，并满足了汉字字符传输和存储的保密性和完整性的要求。

附图6给出了对同一汉字字符串连续十次的输出密文，每一次替代都是不同的，可见，本发明密码完全避免了传统替代密码的频率特征，解决了对替代密码频数统计攻击的问题。

本发明密码采用了多重安全设计保证其安全性：

本发明采用对称的图像私钥加密，收发双方持有一对第三方无法获得的完全私有的图像私钥，不但满足点对点通信的安全性，而且能满足一对多通信机制中的安全性要求；采用约定的互联网中图像作为图像公钥，不但密钥分配方便灵活，而且可以使用一次更换一次，一定程度上具有一次一密的安全密码效果；

本发明中图像叠加因子λ₁、λ₂可任意约定设置，只要满足λ₁+λ₂＝1的条件即可，理论上二者的取值可以有无数种，可大大提高本发明密码的抗密码分析能力；该方法对替代之后的像素坐标再进行换位输出，每个汉字分为N块，每块用(X，Y)两个坐标值进行替代，换位顺序有(2*N)！种，分块数越多，则生成的换位输出密文矩阵的抗密码分析能力越强，安全性越强。

通过上述安全性设计，保证了本发明密码即使在攻击者获得一定数量的密文及产生这些密文的明文，也不能破译出当前的密钥；即使在一对多通信中获得某个节点的密钥，也无法破译出其它节点的私钥，由此我们认为本发明密码是一种安全的汉字密码。

为防止通过互联网实施分配的图像公钥f1在网络传输和存储过程中出现失真或恶意攻击，对本发明密码进行了一定的鲁棒性测试实验。测试实验中，在解密时对图像公钥f1施加高斯低通滤波攻击，解码正确率100％(图7)；施加高斯低通滤波叠加攻击10次，解码正确率100％(图8)。对图像公钥f1施加[100:200,100：200](图像大小240×320)剪切攻击，解码正确率100％(图9)；施加[100:50,100：50]&[200:150,200：300](图像大小240×320)剪切攻击，解码正确率80％(图10)。对图像公钥f1施加5％椒盐噪声攻击，解码正确率平均为50％；通过调整密钥图像叠加因子，当λ1＝0.05、λ2＝0.95时，5％椒盐噪声攻击下解码正确率提高到70％以上(图11)。另外，在对图像公钥f1施加10％以上椒盐攻击(即恶意攻击)测试中，解码结果为部分乱码汉字(图12)，接收方可据此判断接收失败，请求重新发送消息即可，也可以采用RS、BCH等适当的纠错码编码来进一步完善本发明密码，提高其抗攻击能力。

综上所述，本发明密码是一种新的汉字密码编码方法，不但具有算法简单、易于实现的特点，而且兼具对称密钥的保密性好、公开密钥的密钥管理灵活方便以及一定程度上一次一密的优点，在保密性、完整性、安全性和鲁棒性各方面均有良好的表现和保证。

Claims (7)

1.在基于图像像素坐标的汉字密码编码方法，包括加密和解密两个部分；其特征在于：所述的加密过程的主要步骤如下：

（1） 输入明文汉字字符串thestr，并取出字符串长度K；

（2） 分别读取图像公钥文件f1和图像私钥文件f2，叠加或融合生成密钥图像f=λ₁ *f1+λ₂ *f2，其中λ₁、λ₂为叠加系数λ₁+λ₂=1，并取出图像大小[m,n]=size(f)；

（3）把步骤（1）中汉字字符串thestr中的每一个汉字字符依次转换成二进制比特串，并把这个二进制比特串分割成高位字节和低位字节两块，分别存储到元胞数组destr{i,1}和destr{i,2}中；其中i 表示字符串thestr中第i 个汉字字符；

（4）在循环条件i=1:K下，密钥图像文件f反复查找与第i 个汉字字符对应的）高字节元胞数组destr{i,1}匹配的像素值，读取其像素坐标并存储到二维矩阵left[x y]中，记录其行数numleft；

（5）在密钥图像文件F中反复查找与低字节元胞数组destr{i,2}匹配的像素值，读取其像素坐标并存储到二维矩阵right[x y]中，记录其行数numright；

（6）分别取随机数γ₁和γ₂，且1<=γ₁<=numleft，1<=γ₂<=numright；

（7）分别取出矩阵left[x y]第γ₁行和right[x y]第γ₂行的值，即第一个汉字的高字节替代坐标（left(x1),left(y1)）和低字节替代坐标（right(x1),right(y1)）；

（8）把这四个坐标值按任意换位顺序进行换位，输出到四维矩阵xyv[ ]中；

（9）若 i 不等于K，跳转到步骤（4），加密下一个汉字字符块；

（10） 当i=K时加密过程结束，得到K行四维矩阵 v[ ]，即为输出密文。

2.根据权利要求1所述的基于图像像素坐标的汉字密码编码方法，其特征在于：所述的解密过程的主要步骤如下：

（1）接收密文矩阵xyv[ ]，读取矩阵xyv []的行数和列数：[P,Q]=size(xyv)；

（2）分别读取公钥图像f1和私钥图像f2，叠加或融合生成密钥图像文件F；F=λ₁ *f1+λ₂*f2，其中叠加系数λ₁、λ₂的值与加密过程相同，对密文矩阵xyv[ ]按加密过程中的换位顺序的逆顺序进行换位，生成还原矩阵xyv2[ ]；

（3）开始解密处理，循环条件：i=1:P；

（4）依次取出xyv2[i：]中的坐标值，在F中读取对应的像素值，写入向量ep(i)；

（5）把向量ep(i)中的字节两两连接成16位比特串，转换成汉字字符输出；

（6）若 i 不等于P，跳转到步骤（4），解密下一个汉字字符块；

（7）当i=P时解密过程结束，得到依次输出的明文汉字字符串。

3.根据权利要求1所述的基于图像像素坐标的汉字密码编码方法，其特征在于：所述的字符包括英文字符在内的具有数字特征的其它字符或字母。

4.根据权利要求1所述的基于图像像素坐标的汉字密码编码方法，其特征在于：所述的图像包括RGB图像、索引图像、灰度图像等具有数字特征的其它类型图像。

5.根据权利要求1所述的基于图像像素坐标的汉字密码编码方法，其特征在于：所述的密钥图像包括单张数字图像或多张数字图像经过叠加、融合、分割等计算机方法处理的数字图像。

6.根据权利要求1所述的基于图像像素坐标的汉字密码编码方法，其特征在于：所述的字符分割包括任意单位长度的字符分割或分块方法。

7.根据权利要求1所述的基于图像像素坐标的汉字密码编码方法，其特征在于：所述的输出密文包括二进制、八进制、十进制、十六进制等其他进制数的表示方法。