CN106056527B - 基于混合型平衡二阶可逆二维细胞自动机图像加密方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于混合型平衡二阶可逆二维细胞自动机图像加密方法，该方法对需加密图像I的RGB三个通道进行像素置乱得到一个N×24M的0‑1矩阵I’；将N×24M的0‑1矩阵I’矩阵分成若干8×16的0‑1矩阵分组；构造混合型平衡二阶可逆二维细胞自动机对每个矩阵分组进行加密迭代；将加密后的分组组合成为加密后图像。

Description

基于混合型平衡二阶可逆二维细胞自动机图像加密方法

技术领域

本发明涉及信息安全领域，更具体地，涉及一种基于混合型平衡二阶可逆二维细胞自动机图像加密方法。

背景技术

随着互联网络的开放壮大，信息安全的作用已经不言而喻。尤其在军事、金融、商业、医疗领域对信息的安全性要求更高。图像加密算法是信息安全中不可或缺的一部分。常用的图像加密方法有自适应图像加密、基于混沌系统的图像加密、盲源分离图像加密方法和数字水印算法。由于图像本身具有大数据量、高冗余度以及像素之间强相关性等特点，使得传统加密方式在加密效率及性能上并不能达到理想效果。

发明内容

本发明提供一种基于混合型平衡二阶可逆二维细胞自动机图像加密方法，该方法并行性高、易于实现，加密后的图像的混淆性和扩散性较强。

为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：

一种基于混合型平衡二阶可逆二维细胞自动机图像加密方法，包括以下步骤：

S1：对需加密图像I的RGB三个通道进行像素置乱得到一个N×24M的0-1矩阵I’；

S2：将N×24M的0-1矩阵I’矩阵分成若干8×16的0-1矩阵分组；

S3：构造混合型平衡二阶可逆二维细胞自动机对每个矩阵分组进行加密迭代；

S4：将加密后的分组组合成为加密后图像。

进一步地，所述步骤S1的具体过程如下：

使用8bit表示一个颜色通道中的一个像素值，将大小为N×M图像I按R通道-G通道-B通道的顺序对像素值进行排列，直至图像I的像素字节序列的末端，得到一个N×24M的0-1矩阵I’。

进一步地，所述步骤S2的具体过程如下：

将N×24M的0-1矩阵I’分成若干组128bit的8×16的0-1矩阵，得到一个矩阵分组集合PB＝{PB₁,PB₂,···,PB_k}，并给每个分组一个32bit的编号n_i。

进一步地，所述步骤S3的具体过程如下：

S31：将分组矩阵PB_i分为两个子块和每个子块是一个8×8的0-1矩阵，将和两个子块作为细胞自动机的两个初始构造；

S32：随机生成128bit串作为加密的密钥，每个分组的密钥

S33：随机挑选出符合平衡性的64个细胞自动机规则集合S＝{R₁,R₂,...R₆₄}，并通过二阶规则构造64个平衡细胞自动机的可逆性；

S34：使用细胞自动机规则集合S＝{R₁,R₂,...R₆₄}对子块和进行迭代更新，集合S＝{R₁,R₂,...R₆₄}的64个细胞自动机分别对应构造和的64个细胞，将K_i左移8bit，取低位的64bit为分组的子密钥SK_i，如果64bit的SK_i对应细胞的值为0，则该细胞使用R_i∈S进行迭代；如果为1，则使用R_i的补规则进行迭代；

S35：对步骤S34重复迭代L次得到和令得到分组矩阵PB_i的加密分组矩阵CB_i，进而得到加密分组矩阵集合CB＝{CB₁,CB₂,···,CB_k}。

进一步地，将得到的加密分组矩阵加密分组矩阵集合CB＝{CB₁,CB₂,···,CB_k}中的每个加密分组矩阵按顺序组合起来，得到加密图像Ic＝{CB1,CB2，···,CBk}。

优选地，所述二维细胞自动机选取平衡Moore邻居规则，考虑细胞自身C，其上N、下S、左W、右E、左上NW、右上NE、左下SW、右下SE的所有邻居，细胞的状态值由0或1表示，且所有邻居状态中状态值为0的个数与为1的个数相等。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明方法使用细胞自动机加密与传统加密方法相比，实现了完全的并行加/解密和局部加/解密；使用512比特表示的Moore邻居规则，同时对规则进行筛选，仅使用其中随机性较高的平衡规则，与传统的细胞自动机图像加密方法相比，具有巨大的密钥空间，且增大了算法的混淆性；对各个明文分组采用了不同的演化规则和密钥进行加密，防止了同明文输出同密文的问题，增大算法扩散性 和混淆性；

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明中单个分组矩阵加密过程示意图；

图3为两类二维细胞自动机的几何表示。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

二维细胞自动机，即细胞自动机结构由邻居间相互关联的二维空间网格组成，是一维细胞自动机的衍生。对于二维细胞自动机，细胞的邻居选择通常分为两类，及5个邻居，由中心元胞自身及与其直接相邻的4个非对角元胞所组成(也被称为von Neumann邻居)；9个邻居，由中心元胞自身及包围它的所有8个元胞所构成(也被称为Moore邻居)。图3为两类二维细胞自动机的几何表示。本文中所提出的图像加密方法使用Moore邻居规则，因此共有2⁹＝512个不同的邻居构造，为了表示Moore邻居的二维细胞自动机，使用512位的二进制数字表示，即共有2⁵¹²种不同的规则。二维细胞自动机选取Moore邻居规则，考虑细胞自身C，其上N、下S、左W、右E、左上NW、右上NE、左下SW、右下SE的所有邻居，细胞的状态值由0或1表示。

这里给出的加密策略属于对称分组加密，因此加密密钥与解密密钥是同一个，密钥长度为128比特，以保证足够大的密钥空间来抵抗蛮力密钥搜索攻击。转换方程使用上述密钥和随机生成的使用64×512位所表示的64个平衡Moore邻居规则将128位的明文分组PB_i转换为一个相同大小的密文分组CB_i，本文使用二阶方法对细胞自动机构造可逆性规则，即在自动机演化过程中，规则不仅与前一时刻的状态相关，也与前一时刻的前一时刻的状态相关。定义t时刻的细胞自动机构造为C^t，则使用下面的方式对平衡Moore邻居规则构造可逆性规则：

其中F表示演化过程中所采用的基本二维Moore规则，上述演化过程可 以方便地实现可逆运算，如下式所示：

实施例1

如图1所示，一种基于混合型平衡二阶可逆二维细胞自动机图像加密方法，包括以下步骤：

S1：对需加密图像I的RGB三个通道进行像素置乱得到一个N×24M的0-1矩阵I’；

S2：将N×24M的0-1矩阵I’矩阵分成若干8×16的0-1矩阵分组；

S3：构造混合型平衡二阶可逆二维细胞自动机对每个矩阵分组进行加密迭代；

S4：将加密后的分组组合成为加密后图像。

步骤S1的具体过程如下：

使用8bit表示一个颜色通道中的一个像素值，将大小为N×M图像I按R通道-G通道-B通道的顺序对像素值进行排列，直至图像I的像素字节序列的末端，得到一个N×24M的0-1矩阵I’。

步骤S2的具体过程如下：

将N×24M的0-1矩阵I’分成若干组128bit的8×16的0-1矩阵，得到一个矩阵分组集合PB＝{PB₁,PB₂,···,PB_k}，并给每个分组一个32bit的编号n_i。

如图2所示，步骤S3的具体过程如下：

S31：将分组矩阵PB_i分为两个子块和每个子块是一个8×8的0-1矩阵，将和两个子块作为细胞自动机的两个初始构造；

S32：随机生成128bit串作为加密的密钥，每个分组的密钥

S33：随机挑选出符合平衡性的64个细胞自动机规则集合S＝{R₁,R₂,...R₆₄}，并使用二阶规则构造64个细胞自动机的可逆性；

S34：使用细胞自动机规则集合S＝{R₁,R₂,...R₆₄}对子块和进行迭代更新，集合S＝{R₁,R₂,...R₆₄}的64个细胞自动机分别对应构造和的64个细胞，将K_i左移8bit，取低位的64bit为分组的子密钥SK_i，如果64bit的SK_i对应细胞的值为0，则该细胞使用R_i∈S进行迭代；如果为1，则使用R_i的补规则进行迭代；

S35：对步骤S34重复迭代L次得到和令得到分组矩阵PB_i的加密分组矩阵CB_i，进而得到加密分组矩阵集合CB＝{CB₁,CB₂,···,CB_k}。

将得到的加密分组矩阵加密分组矩阵集合CB＝{CB₁,CB₂,···,CB_k}中的每个加密分组矩阵按顺序组合起来，得到加密图像Ic＝{CB1,CB2，···,CBk}。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于混合型平衡二阶可逆二维细胞自动机图像加密方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：对需加密图像I的RGB三个通道进行像素置乱得到一个N×24M的0-1矩阵I’；

S2：将N×24M的0-1矩阵I’矩阵分成若干8×16的0-1矩阵分组；

S3：构造混合型平衡二阶可逆二维细胞自动机对每个矩阵分组进行加密迭代；

S4：将加密后的分组组合成为加密后图像；

所述步骤S1的具体过程如下：

使用8bit表示一个颜色通道中的一个像素值，将大小为N×M图像I按R通道-G通道-B通道的顺序对像素值进行排列，直至图像I的像素字节序列的末端，得到一个N×24M的0-1矩阵I’；

所述步骤S2的具体过程如下：

将N×24M的0-1矩阵I’分成若干组128bit的8×16的0-1矩阵，得到一个矩阵分组集合PB＝{PB₁,PB₂,···,PB_k}，并给每个分组一个32bit的编号n_i；

所述步骤S3的具体过程如下：

S31：将分组矩阵PB_i分为两个子块和每个子块是一个8×8的0-1矩阵，将和两个子块作为细胞自动机的两个初始构造；

S32：随机生成128bit串作为加密的密钥，每个分组的密钥

S33：随机挑选出符合平衡性的64个细胞自动机规则集合S＝{R₁,R₂,...R₆₄}；

S34：将K_i左移8bit，取低位的64bit为分组的子密钥SK_i，更新子块和如果64bit的SK_i对应细胞的值为0，则该细胞使用R_i∈S进行迭代；如果为1，则使用R_i的补规则进行迭代；

S35：对步骤S34重复迭代L次得到和令得到分组矩阵PB_i的加密分组矩阵CB_i，进而得到加密分组矩阵集合CB＝{CB₁,CB₂,···,CB_k}。

2.根据权利要求1所述的基于混合型平衡二阶可逆二维细胞自动机图像加密方法，其特征在于，将得到的加密分组矩阵加密分组矩阵集合CB＝{CB₁,CB₂, ···,CB_k}中的每个加密分组矩阵按顺序组合起来，得到加密图像Ic＝{ CB₁ , CB₂ ，···, CB_k}。

3.根据权利要求1所述的基于混合型平衡二阶可逆二维细胞自动机图像加密方法，其特征在于，所述二维细胞自动机选取Moore邻居规则，考虑细胞自身C，其上N、下S、左W、右E、左上NW、右上NE、左下SW、右下SE的所有邻居，细胞的状态值由0或1表示。