CN105554344A

CN105554344A - 基于混合图元的多幅图像加密方法

Info

Publication number: CN105554344A
Application number: CN201510881125.4A
Authority: CN
Inventors: 张晓强; 王雪松; 程玉虎
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2015-12-07
Filing date: 2015-12-07
Publication date: 2016-05-04

Abstract

一种基于混合图元的多幅图像加密方法，属于信息加密领域。现存图像加密方法大多是以单幅图像为加密对象，难以适用于大批量图像加密的情形，且加密效率较低。区别于传统的图像加密方法，本发明以多幅图像为加密对象，通过将多幅图像分割为图元，对图元置乱得到混合图元，最后重组混合图元得到加密图像的思想，实现对多幅图像内容的保护。核心步骤：将<i>k</i>幅交互图像分割成图元集；利用混沌序列置乱图元，得到混合图元；对混合图元进行组合，得到<i>k</i>幅加密图像。实验结果表明：该方法易于实现，加密效果良好，加密效率和安全性高，可同时保护任意多幅图像内容的通信安全。

Description

基于混合图元的多幅图像加密方法

技术领域

本发明涉及一种信息加密技术，特别是涉及一种图像加密方法。

背景技术

在政治、军事和商业等诸多领域中，网络信息的安全变得日益重要。近年，网络安全发展态势呈现：（1）计算机病毒层出不穷；（2）黑客攻击逐年攀升；（3）系统存在安全漏洞；（4）各国军方加紧信息战研究。网络泄密事件时有发生，对网络个人的通信隐私、企业的商业机密、国家的安全稳定都造成了重大影响。因此，网络信息安全是互联网发展中急需解决的重要问题。

在军事发现、自然灾害监控、交通监控、天气预报、电子政务和个人事务等诸多领域中，每天都会产生大量的数字图像。同时，各种拍摄设备的不断涌现也加速了大数据时代的到来。如一部单反相机每秒能拍摄几张照片，一个交通监控摄像头每天能拍摄数千张图像。在大数据时代，数字图像往往会携带许多秘密信息。因此，如何保护图像内容的安全已成为学术界和工业领域的重要挑战。

为确保图像内容的安全，人们已提出了许多单幅图像加密方法。这些方法主要包括：基于现代密码体制的图像加密方法、基于矩阵变换的图像加密方法、基于混沌理论的图像加密方法、基于变换域的图像加密方法和基于DNA计算的图像加密方法。在大数据时代，尽管可用重复执行现有单幅图像加密方法的手段来保护多幅图像内容的安全，但是加密效率往往较低。因此，设计了一种多幅图像加密方法，在保证多幅图像内容安全的同时，可有效地提高加密效率。

发明内容

本发明的目的：针对现有多数单幅图像加密方法加密多幅图像时效率低的问题，提出一种基于混合图元的多幅图像加密方法。

本发明的技术方案：为实现上述发明目的，采用的技术方案为基于混合图元的多幅图像加密方法，具体包括以下步骤：

步骤1：分割k幅交互图像I ¹，I ²，…，I ^k成为小的图像块（又称为图元）；

步骤2：对k个图元集的所有图元进行编码；

步骤3：根据系统初始值和控制参数进行PWLCM混沌系统迭代运算，获得两个混沌序列X和Y；

步骤4：利用混沌序列X，置乱所有图元，得到一个混合图元集；

步骤5：利用floor()取整函数对混沌序列Y整数化，获得整数序列Y＇；

步骤6：对混合图元进行重组，得到k幅加密图像，并用Y＇中的元素作为k幅加密图像的文件名；

步骤7：发送k幅加密图像给接收方。

进一步地，所述步骤1中，为加密k幅m×n同等大小的交互图像，即I ¹，I ²，…，I ^k，将k幅交互图像都分割为m ₁×n ₁同等大小的图元，要求m能被m ₁整除，n能被n ₁整除，令r=m/m ₁，s=n/n ₁，k幅交互图像可产生对应的k个图元集。

进一步地，所述步骤2中，用阿拉伯数字1，2，…，k×r×s依次对k个图元集的所有共k×r×s个图元进行编码。

进一步地，所述步骤3中，随机选取x ₀∈(0，1)和p ₁∈(0，0.5)分别作为PWLCM混沌系统的初始值和控制参数，利用如下公式（1）所示的混沌系统，通过迭代k×r×s次，可产生一个混沌序列X={x _i}_k×r×s，

；（1）

类似地，随机选取y ₀∈(0，1)和p ₂∈(0，0.5)，可产生另外一个混沌序列Y={y _i}_k。

进一步地，所述步骤4中，对X按照元素值大小进行升序排列，可得到一个新混沌序列X＇={x _i ＇}_k×r×s={x _t1，x _t2，…，x _tkrs}，下标t ₁，t ₂，…，t _k×r×s是序列1，2，…，k×r×s的一个全排列；按照此全排列对k×r×s个图元的编码进行位置置乱，得到一个混合图元集。

进一步地，所述步骤5中，假设计算机的精度为10^-14，计算

y _i＇=floor(y _i×10¹⁴)，i=1，2，…，k，（2）

可得到一个整数序列Y＇。

进一步地，所述步骤6中，按照置乱后的混合图元顺序，每r×s幅混合图元重组成一幅图像，共可重组成k幅m×n同等大小的图像，即I ^e1，I ^e2，…，I ^ek，视为该方法的加密图像，并用Y＇中的元素分别作为这k幅图像的文件名。

进一步地，所述步骤7中，k幅加密图像与密钥x ₀，y ₀，p ₁，p ₂不可一起发送；通过网络给接收方发送k幅加密图像I ^e1，I ^e2，…，I ^ek；密钥的发送则通过较为安全的信道单独发送。

所述解密过程为加密过程的逆过程。

有益效果：本发明针对现有多数单幅图像加密方法加密多幅图像时效率低的问题，难以适应批量图像加密的难点，提出一种基于混合图元的多幅图像加密方法。主要贡献有以下3点：（1）以多幅图像为加密对象，通过将多幅图像分割为图元，对图元置乱得到混合图元，最后重组混合图元得到加密图像的思想，实现对多幅图像内容的保护；（2）以混合图元的方式对多幅图像进行批量加密，计算量小，提高了加密效率；（3）该方法依赖混沌理论，采用混沌序列仅对图元进行置乱，密钥敏感性强，密钥空间大，安全性高。

附图说明

图1：基于混合图元的多幅图像加密方法加密流程图；

图2：交互图像；

图3：图元集；

图4：加密图像。

具体实施方式

下面结合具体附图和实例对本发明的实施方式作进一步的说明。

基于混合图元的多幅图像加密方法加密流程图，如图1所示。

采用的编程软件为Matlab7.0，选取图2所示的9幅均为512×512大小的灰色图像作为实验对象。采用基于混合图元的多幅图像加密方法，对9幅交互图像进行加密的具体过程如下：

1.为加密9幅512×512同等大小的交互图像，即I ¹，I ²，…，I ⁹，发送方将这9幅交互图像都分割32×32同等大小的图元，令r=16，s=16，则这9幅交互图像可产生对应的9个图元集，如图3所示。

2.用阿拉伯数字1，2，…，9×16×16依次对9×16×16=2304幅图元进行编码。

3.随机选取x ₀=0.28153489126924和p ₁=0.44537834013456分别作为PWLCM混沌系统的初始值和控制参数，利用公式（1）所示混沌系统通过迭代2304次，可产生一个混沌序列X={x _i}₂₃₀₄。类似地，随机选取y ₀=0.46567899345427和p ₂=0.13184640452142，可产生另外一个混沌序列Y={y _i}₉。x ₀，y ₀，p ₁和p ₂视为该方法的密钥。

4.对X按照元素值大小进行升序排列，可得到一个新混沌序列X＇={x _i ＇}₂₃₀₄={x _t1，x _t2，…，x _t2304}。因此，下标t ₁，t ₂，…，t ₂₃₀₄是1，2，…，2304的一个全排列。按照此全排列对2304幅图元进行位置置乱，得到一个混合图元集。

5.针对混沌序列Y，利用公式（2），可得到一个整数序列Y＇。

6.按照置乱后的混合图元顺序，对每256幅混合图元重组成一幅图像，共可重组成9幅512×512同等大小的图像，即I ^e1，I ^e2，…，I ^e9，视为该方法的加密图像，如图4所示。

7.通过网络给接收方发送这9幅加密图像I ^e1，I ^e2，…，I ^e9；通过较安全信道给接收方单独发送密钥x ₀，y ₀，p ₁和p ₂。

上述实例中，接收方在已知密钥的情况下，进行上述加密过程的逆操作过程，即可实现对加密图像的解密，从而获得9幅原始交互图像。

Claims

1.基于混合图元的多幅图像加密方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤2：对k个图元集的所有图元进行编码；

步骤7：发送k幅加密图像给接收方。

2.根据权利要求1所述的基于混合图元的多幅图像加密方法，其特征在于，所述步骤1中的分割是指：为加密k幅m×n同等大小的交互图像，即I ¹，I ²，…，I ^k，将k幅交互图像都分割为m ₁×n ₁同等大小的图元，要求m能被m ₁整除，n能被n ₁整除，令r=m/m ₁，s=n/n ₁，k幅交互图像可产生对应的k个图元集。

3.根据权利要求1所述的基于混合图元的多幅图像加密方法，其特征在于，所述步骤2中的编码是指：用阿拉伯数字1，2，…，k×r×s依次对k个图元集的所有共k×r×s个图元进行编码。

4.根据权利要求1所述的基于混合图元的多幅图像加密方法，其特征在于，所述步骤3中的PWLCM混沌系统迭代是指：随机选取x ₀∈(0，1)和p ₁∈(0，0.5)分别作为PWLCM混沌系统的初始值和控制参数，利用如下公式（1）所示的混沌系统，通过迭代k×r×s次，可产生一个混沌序列X={x _i}_k×r×s，

；（1）

5.根据权利要求1所述的基于混合图元的多幅图像加密方法，其特征在于，所述步骤4中的置乱所有图元是指：对X按照元素值大小进行升序排列，可得到一个新混沌序列X＇={x _i ＇}_k×r×s={x _t1，x _t2，…，x _tkrs}，下标t ₁，t ₂，…，t _k×r×s是序列1，2，…，k×r×s的一个全排列；按照此全排列对k×r×s个图元的编码进行位置置乱，得到一个混合图元集。

6.根据权利要求1所述的基于混合图元的多幅图像加密方法，其特征在于，所述步骤5中的整数化是指：假设计算机的精度为10^-14，计算

y _i＇=floor(y _i×10¹⁴)，i=1，2，…，k，（2）

可得到一个整数序列Y＇。

7.根据权利要求1所述的基于混合图元的多幅图像加密方法，其特征在于，所述步骤6中的对混合图元进行重组是指：按照置乱后的混合图元顺序，每r×s幅混合图元重组成一幅图像，共可重组成k幅m×n同等大小的图像，即I ^e1，I ^e2，…，I ^ek，视为该方法的加密图像，并用Y＇中的元素分别作为这k幅图像的文件名。

8.根据权利要求1所述的基于混合图元的多幅图像加密方法，其特征在于，所述步骤7中的发送是指：k幅加密图像与密钥x ₀，y ₀，p ₁，p ₂不可一起发送；通过网络给接收方发送k幅加密图像I ^e1，I ^e2，…，I ^ek；密钥的发送则通过较为安全的信道单独发送。

9.根据权利要求1所述的基于混合图元的多幅图像加密方法，其特征在于，解密过程为加密过程的逆过程。