CN106599703A - 基于混合图元和混沌的多图像加密方法 - Google Patents

基于混合图元和混沌的多图像加密方法 Download PDF

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Abstract

一种基于混合图元和混沌的多图像加密方法，属于信息加密领域。大数据时代产生的海量数字图像，既要保证图像内容的安全性，又要有较高的加密效率。多图像加密作为一种新的多媒体安全技术，具有高效的特征。目前的一些多图像加密方法加密效率低，解密图像存在明显失真，难以令人满意。本发明将多幅原始图像组合成一幅大图像，并将其分割成纯图元集。利用混沌序列置乱纯图元，并重新组合成一幅大的置乱图像。将其分割成与原始图像等大小的图像，视为加密图像，用混沌序列作为加密图像的文件名。主要创新内容为：提出了一种基于混合图元和混沌的多图像加密方法。实验结果表明：该方法非常高效且安全，适用于实际的图像加密应用中。

Description

基于混合图元和混沌的多图像加密方法
技术领域
本发明涉及一种信息加密技术，特别是涉及一种多图像加密方法。
背景技术
在诸多领域，每天都产生海量的数字图像，如军事侦探，自然灾害监控，交通监控，天气预报，电子政务，以及个人事务等。同时，近年，各种拍摄设备的大量涌现也加速了大数据时代的到来。例如：一台普通的单反相机每秒钟能拍摄3到5张图像，一个交通摄像头每天能采集成千张图像。在大数据时代，数字图像经常携带许多秘密信息。随着计算机和互联网的飞速发展，多媒体安全，特别是图像安全已成为学术界和工业界的重要挑战之一。
为确保图像的安全传输，研究者提出了许多种单幅图像加密方法。目前，主要的单幅图像加密方法包括：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，尽管多幅图像可通过重复多次执行单幅图像加密方法来完成，但是加密效率往往难以令人满意。多图像加密（Multiple-image encryption，MIE）作为一种新的多媒体安全技术，具有高效的特征，逐渐引起人们的关注。研究者们提出了一些基于光学信息处理系统的多图像加密方法。这些方法大多是基于小波变换或傅里叶变换而设计，在频域中实现对多图像的加密，并常常与图像压缩技术结合。因此，解密图像往往存在一些明显的失真。同时，这些方法要求图像数据在空间域和变换域之间来回变换。从而使得这些方法的加密效率也难以令人满意。在基于数字信息处理手段方面，研究者们也提出了一些多图像加密方法，但它们大多运算复杂，加密效率仍难以令人满意。为提高加密效率和保证数字图像的安全传输，设计了一种基于混合图元和混沌的多图像加密方法。
发明内容
本发明的目的：针对现有多图像加密方法加密效率低或解密图像失真大的问题，提出一种基于混合图元和混沌的多图像加密方法。
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和分段线性混沌映射（Piecewise linear chaotic map，PWLCM）的多图像加密方法，包括如下步骤：
步骤1：组合待加密的k幅原始图像为一幅大图像；
步骤2：产生纯图元；
步骤3：产生混沌序列；
步骤4：置乱纯图元；
步骤5：产生一个大置乱图像；
步骤6：产生加密图像的文件名；
步骤7：将大置乱图像分割成加密图像；
步骤8：给接收方Bob发送加密图像。
进一步地，所述步骤1中，为加密k幅大小为m×n的原始图像I 1 m×n , I 2 m×n , …,I k m×n ，Alice 按照一定的规则将这k幅图像组合成一幅大图像。例如：若k=k 1+k 2，k 1, k 2是正整数，则大图像可为
（1）。
进一步地，所述步骤2中，Alice将大图像分割成大小为m 1×n 1的纯图元，如8×8，要求满足mod(m, m 1)=0和mod(n, n 1)=0。m 1×n 1的值与新方法的安全性息息相关。用户需要根据实际应用的安全需求，来选取合适的纯图元尺寸。
进一步地，所述步骤3中，PWLCM混沌系统可描述为：
， （2）
其中，x i∈(0, 1)和p∈(0, 0.5)为控制参数。Alice随机选取x 0∈(0, 1)和p 1∈(0,0.5)分别作为PWLCM混沌的初始值和控制参数。通过对公式（2）的k×l次混沌迭代，可得到一个混沌序列X={x i} k×l ，其中，l=(m/m 1)×(n/n 1)。类似地，随机地选取y 0∈(0, 1)和p 2∈(0, 0.5)，可得到另外一个混沌序列Y={y i} k 。
进一步地，所述步骤4中，Alice对混沌序列X按照升序进行排列，可得到一个新的混沌序列={x t1, x t2, …, x tk×l }。因此，t 1, t 2, …, t k×l 是序列1, 2, …, k×l 的一个全排列。对所有的纯图元按照所在的原始位置从上到下从左到右进行编号，并按照全排列t 1, t 2, …, t k×l 调整纯图元的位置。得到置乱的纯图元集合，称为混合图元集。
进一步地，所述步骤5中，按照t 1, t 2, …, t k×l 的顺序，Alice将这些混合图元组合成一个大图像。然后，可得到一个大置乱图像。
进一步地，所述步骤6中，假设计算机的精度为10-14，计算
=floor(y i×10-14) ， （3）
其中，i=1, 2, …, k；Alice可得到一个整数序列，作为加密图像的文件名。
进一步地，所述步骤7中，Alice把分割成k=k 1+k 2幅大小为m×n的图像I e1 m×n , I e2 m×n , …, I ek m×n 。它们的文件名为中的元素。这k幅图像视为新方法的加密图像。
进一步地，所述步骤8中，Alice发送I e1 m×n , I e2 m×n , …, I ek m×n 给Bob。PWLCM混沌系统的初始值x 0, y 0和控制参数p 1, p 2视为新方法的密钥。
所述解密过程为加密过程的逆过程。
有益效果：本发明针对现有的多图像加密方法，有的加密效率不高，有的解密图像存在一定程度的失真等缺点，难以令人满意，提出了一种基于混合图元和混沌的多图像加密方法。主要贡献有以下3点：（1）结合数字图像的特征，定义纯图元和混合图元的概念，建立混合图元模型；（2）利用混合图元模型，结合PWLCM混沌系统，提出了一种基于混合图元和混沌的多图像加密方法，实现对数字图像内容的保护；（3）提出的新方法，计算量小，加密效率高，密钥空间大，安全性好。
附图说明
图1：基于混合图元和混沌的多图像加密方法的加密流程图。
图2：原始图像。
图3：大图像。
图4：尺寸为32×32的混合图元。
图5：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进行进一步详细说明。
图1是基于混合图元和混沌的多幅图像加密方法的加密流程图。
采用的编程软件为Matlab R2012a，选取图2所示的9幅大小为512×512的灰色图像作为原始图像。采用基于混合图元和混沌的多图像加密方法，对原始图像进行加密的具体过程如下。
1. 组合待加密的9幅原始图像为一幅大图像，如图3所示。
2. 将大图像分割成大小为32×32的纯图元，产生纯图元集。
3. Alice随机选取PWLCM 混沌系统的初始值和控制参数为x 0=0.28153489126924，y 0= 0.46567899345427，p 1= 0.44537834013456和p 2=0.13184640452142，通过迭代可产生混沌序列X和Y。
4. 利用X置乱纯图元，得到一个混合图元集。
5. 组合混合图元，产生大置乱图像，如图4所示。
6. 对Y 进行处理，得到一个整数序列，其中的元素作为加密图像的文件名。
7. 将大置乱图像分割成9幅大小为512×512加密图像，如图5所示。
8. Alice发送加密图像给Bob。
在上述实例中，在已知密钥的情况下，利用同样的混沌序列作用于加密图像。Bob对加密图像进行上述加密过程的逆操作，即可实现对加密图像的解密，从而获得9幅原始图像。

Claims (10)

1.基于混合图元和混沌的多图像加密方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：组合原始图像为一幅大图像；
步骤2：产生纯图元；
步骤3：产生混沌序列；
步骤4：置乱纯图元；
步骤5：产生一个大置乱图像；
步骤6：产生加密图像的文件名；
步骤7：将大置乱图像分割成加密图像；
步骤8：给接收方Bob发送加密图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1中，为加密k幅大小为m×n的原始图像I 1 m×n , I 2 m×n , …, I k m×n ，Alice 按照一定的规则将这k幅图像组合成一幅大图像；例如：若k=k 1+k 2，k 1, k 2是正整数，则大图像可为
（1）。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2中，Alice将大图像分割成大小为m 1×n 1的纯图元，如8×8，要求满足mod(m, m 1)=0和mod(n, n 1)=0；m 1×n 1的值与新方法的安全性息息相关；用户需要根据实际应用的安全需求，来选取合适的纯图元尺寸。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3中，分段线性混沌映射（Piecewise linear chaotic map，PWLCM）可描述为：
， （2）
其中，x i∈(0, 1)和p∈(0, 0.5)为控制参数；Alice随机选取x 0∈(0, 1)和p 1∈(0,0.5)分别作为PWLCM混沌的初始值和控制参数；通过对公式（2）的k×l次混沌迭代，可得到一个混沌序列X={x i} k×l ，其中，l=(m/m 1)×(n/n 1)；类似地，随机地选取y 0∈(0, 1)和p 2∈(0, 0.5)，可得到另外一个混沌序列Y={y i} k 。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤4中，Alice对混沌序列X按照升序进行排列，可得到一个新的混沌序列={x t1, x t2, …, x tk×l }；因此，t 1, t 2, …,t k×l 是序列1, 2, …, k×l的一个全排列；对所有的纯图元按照所在的原始位置从上到下从左到右进行编号，并按照全排列t 1, t 2, …, t k×l 调整纯图元的位置；得到置乱的纯图元集合，称为混合图元集。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤5中，按照t 1, t 2, …, t k×l 的顺序，发送方Alice将这些混合图元组合成一个大图像；然后，可得到一个大置乱图像。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤6中，假设计算机的精度为10-14，计算
=floor(y i×10-14) ， （3）
其中，i=1, 2, …, k；Alice可得到一个整数序列，作为加密图像的文件名。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤7中，Alice把分割成k=k 1+k 2幅大小为m×n的图像I e1 m×n , I e2 m×n , …, I ek m×n ；它们的文件名为中的元素；这k幅图像视为新方法的加密图像。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤8中，Alice发送I e1 m×n , I e2 m×n ,…, I ek m×n 给Bob；PWLCM混沌系统的初始值x 0, y 0和控制参数p 1, p 2视为新方法的密钥。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：解密过程是加密的逆过程。
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