CN105117653B - 一种近红外光谱数据加密方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种近红外光谱数据加密方法，它涉及近红外光谱信息安全技术领域。首先将要加密的近红外光谱图像像素值分解为bit位，由Logisitic混沌系统产生混沌序列，利用像素级别的图像置乱算法构造行、列置乱向量，实现近红外光谱图的置乱：在混沌和位运算加密的基础上，结合灰度替代加密，采用这种混合迭代结构的加密方式，来对近红外光谱图加密,两个过程进行迭代操作，该方法密钥空间大，运算速度较快。
Description
技术领域：
本发明涉及一种近红外光谱数据加密方法，属于近红外光谱信息安全技术领域。
背景技术：
近红外光谱分析技术是一种快速、准确的分析技术，已经得到了广泛的应用。近红外光谱数据量大，安全性要求较高。与此同时，近红外光谱数据在存储和传输过程中的安全隐患也不同程度的表现了出来。随着近红外光谱技术的进一步发展和研究的不断深入，如何在确保数据安全，高效的实现信息加密解密，成为人们面临的问题。传统的加解密方法程序冗长繁琐，安全性不高，执行效率较低，已经越来越难以满足现实的要求。对近红外光谱数据加密解密的目的就是增强信息安全性，有效的抵抗现有破译方法的攻击，提高加密解密效率。本发明采用的是根据混沌和位运算的加密方法，在此基础上进一步给出了结合光谱图像像素位置置乱和灰度替代相结合的加密方法。这种方法能够取得更好的加密效果和安全性。
在当今广泛应用近红外光谱分析技术的背景下，由于近红外光谱数据量大，因此为提高加密解密效率，针对近红外光谱数据先进行加密后在通过网络传输与共享分析可以实现资源高效利用，同时也能节省较大的存储空间。
发明内容：
针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种近红外光谱数据加密方法。
本发明近红外光谱数据加密方法,它的具体方法为：(a)、首先将要加密的近红外光谱图像像素值分解为bit位，p(i,j)表示为原光谱图像的第i行，第j列的像素值，pq(i,j)表示(i,j)位置像素p(i,j)分解的第q位q＝0，1…7，由式(1)将近红外光谱图转换为0和1组成的二值矩阵：
(2)式可将二值光谱图变成灰度图：
(b)、由Logistic混沌系统产生混沌序列，利用像素级别的图像置乱算法构造行、列置乱向量，实现近红外光谱图的置乱：具体过程为：Logistic混沌映射是一种典型的一维混沌系统，其公式定义如下：
xk+1＝μxk(1-xk) (3)
其中，μ为分支参数，k为迭代次数，0≤μ≤4，xk∈(0,1)，当3.569≤μ≤4时，Logistic映射处于混沌状态，此时对给定的不同初始条件x0和y0，得到的序列和表现出非周期、非收敛、伪随机的混沌性质；根据混沌序列对近红外光谱进行加密，对于大小为M×N的近红外光谱图，设映射序列初始条件为μ，x0，迭代次数取正整数t，由式(3)生成混沌序列从其中第t+1项开始，取其中T项，对取得的序列{Xt+1，Xt+2，…，Xt+T}进行计算得到映射后的序列计算序列在原序列{X0,X1,...Xk}中的位置信息，得到对应光谱图行坐标置乱操作的置乱向量TM＝{h1，h2，…，hT}；同理，计算列置乱向量；实现近红外光谱图的置乱。
c、在混沌和位运算加密的基础上，结合灰度替代加密，采用这种混合迭代结构的加密方式，来对近红外光谱图加密，式(4)用于第k轮灰度替代加密，像素灰度替代操作如下，Sk是第k轮迭代后位置像素值，如下：
Sk+1＝mod((Sk+T(k)|i-j|),256) (4)
其中，T(k)是第k轮迭代所需放大因子，
T(k)＝Floor(G(i)×103) (5)，
式(5)中G(i)为Logistic映射函数，可由分段Logistic映射产生；
分段Logistic映射定义为：
光谱图像素灰度替代加密，使得原来相邻的两个像素，即使灰度相同经过迭代，像素位置改变，灰度值也会发生很大的变化，灰度值解密公式：
Sk＝(Sk+1-T(k)|i-j|)mod256 (7)
作为优选，解密过程只需对加密过程实施相反的操作即可恢复原始光谱图。
本发明的有益效果：它能克服现有技术的弊端，首先用Logistic映射产生混沌序列构造行、列置乱向量进行像素位置的置乱，在利用分段非线性Logistic产生的序列构造灰度置乱方法因子，对近红外光谱图进行置乱，并且对两个过程进行迭代操作，该方法密钥空间大，运算速度较快。
附图说明：
为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。
图1为本发明实施例加密过程流程图；
图2为本发明实施例的解密过程流程图。
具体实施方式：
本具体实施方式采用以下技术方案：它的具体方法为：(a)、首先将要加密的近红外光谱图像像素值分解为bit位，p(i,j)表示为原光谱图像的第i行，第j列的像素值，pq(i,j)表示(i,j)位置像素p(i,j)分解的第q位q＝0，1…7，由式(1)将近红外光谱图转换为0和1组成的二值矩阵：
(2)式可将二值光谱图变成灰度图：
(b)、由Logistic混沌系统产生混沌序列，利用像素级别的图像置乱算法构造行、列置乱向量，实现近红外光谱图的置乱：具体过程为：Logistic混沌映射是一种典型的一维混沌系统，其公式定义如下：
xk+1＝μxk(1-xk) (3)
其中，μ为分支参数，k为迭代次数，0≤μ≤4，xk∈(0,1)，当3.569≤μ≤4时，Logistic映射处于混沌状态，此时对给定的不同初始条件x0和y0，得到的序列和表现出非周期、非收敛、伪随机的混沌性质；根据混沌序列对近红外光谱进行加密，对于大小为M×N的近红外光谱图，设映射序列初始条件为μ，x0，迭代次数取正整数t，由式(3)生成混沌序列从其中第t+1项开始，取其中T项，对取得的序列{Xt+1，Xt+2，…，Xt+T}进行计算得到映射后的序列计算序列在原序列{X0,X1,...Xk}中的位置信息，得到对应光谱图行坐标置乱操作的置乱向量TM＝{h1，h2，…，hT}；同理，计算列置乱向量；实现近红外光谱图的置乱。
c、在混沌和位运算加密的基础上，结合灰度替代加密，采用这种混合迭代结构的加密方式，来对近红外光谱图加密，式(4)用于第k轮灰度替代加密，像素灰度替代操作如下，Sk是第k轮迭代后位置像素值，如下：
Sk+1＝mod((Sk+T(k)|i-j|),256) (4)
其中，T(k)是第k轮迭代所需放大因子，
T(k)＝Floor(G(i)×103) (5)，
式(5)中G(i)为Logistic映射函数，可由分段Logistic映射产生；
分段Logistic映射定义为：
光谱图像素灰度替代加密，使得原来相邻的两个像素，即使灰度相同经过迭代，像素位置改变，灰度值也会发生很大的变化，灰度值解密公式：
Sk＝(Sk+1-T(k)|i-j|)mod256 (7)
作为优选，解密过程只需对加密过程实施相反的操作即可恢复原始光谱图。
实施例：(参照图1)本实施例的具体加密过程如下：
(a1)首先读取大小为M×N的近红外光谱图，记为A。
(a2)由(1)式将读取的光谱图转换为M×8N的位置图，记为B。
(a3)由Logisitic混沌系统产生混沌序列，利用像素级别的图像置乱算法构造行、列置乱向量，置乱光谱图B，得到置乱后的光谱图C。
(a4)利用(2)式对光谱图C进行变换，得大小为M×N的密文光谱图D。
(a5)利用(4)式对光谱图D进行像素灰度替代加密，得到光谱图E。
(a6)对E重复步骤2到步骤5的k次输出密文图像(k作为密钥)。
(a7)加密过程结束。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (3)
1.一种近红外光谱数据加密方法，其特征在于：它的具体方法为：(a)、首先将要加密的近红外光谱图像像素值分解为bit位，p(i,j)表示为原光谱图像的第i行，第j列的像素值，pq(i,j)表示(i,j)位置像素p(i,j)分解的第q位q＝0，1…7，由式(1)将近红外光谱图转换为0和1组成的二值矩阵：
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(2)式可将二值光谱图变成灰度图：
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</mrow>
(b)、由Logistic混沌系统产生混沌序列，利用像素级别的图像置乱算法构造行、列置乱向量，实现近红外光谱图的置乱：具体过程为：Logistic混沌映射是一种典型的一维混沌系统，其公式定义如下：
xk+1＝μxk(1-xk) (3)
其中，μ为分支参数，k为迭代次数，0≤μ≤4，xk∈(0,1)，当3.569≤μ≤4时，Logistic映射处于混沌状态，此时对给定的不同初始条件x0和y0，得到的序列和表现出非周期、非收敛、伪随机的混沌性质；根据混沌序列对近红外光谱进行加密，对于大小为M×N的近红外光谱图，设映射序列初始条件为μ，x0，迭代次数取正整数t，由式(3)生成混沌序列从其中第t+1项开始，取其中T项，对取得的序列{Xt+1，Xt+2，…，Xt+T}进行计算得到映射后的序列计算序列在原序列{X0,X1,…Xk}中的位置信息，得到对应光谱图行坐标置乱操作的置乱向量TM＝{h1，h2，…，hT}；同理，计算列置乱向量；实现近红外光谱图的置乱。
2.根据权利要求1所述的一种近红外光谱数据加密方法，其特征在于：c、在混沌和位运算加密的基础上，结合灰度替代加密，采用这种混合迭代结构的加密方式，来对近红外光谱图加密，式(4)用于第k轮灰度替代加密，像素灰度替代操作如下，Sk是第k轮迭代后位置像素值，如下：
Sk+1＝mod((Sk+T(k)|i-j|),256) (4)
其中，T(k)是第k轮迭代所需放大因子，
T(k)＝Floor(G(i)×103) (5)，
式(5)中G(i)为Logistic映射函数，可由分段Logistic映射产生；
分段Logistic映射定义为：
<mrow>
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光谱图像素灰度替代加密，使得原来相邻的两个像素，即使灰度相同经过迭代，像素位置改变，灰度值也会发生很大的变化，灰度值解密公式：
Sk＝(Sk+1-T(k)|i-j|)mod256 (7)。
3.按照权利要求2所述的一种近红外光谱数据加密方法，其特征在于：解密过程只需对加密过程实施相反的操作即可恢复原始光谱图。
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