CN106604040A - 基于混合图元和全排列的多图像加密方法 - Google Patents

基于混合图元和全排列的多图像加密方法 Download PDF

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Abstract

一种基于混合图元和全排列的多图像加密方法，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分割成纯图元集，利用混沌系统产生的全排列置乱纯图元，重组为新的图像，并将重组图像与混沌系统产生的混沌图像进行异或运算，产生加密图像。主要创新内容为：定义了纯图元和混合图元等概念，提出了一种基于混合图元和全排列的多图像加密方法。实验结果表明：该方法操作非常简单且高效，适用于实际的图像加密应用中。

Description

基于混合图元和全排列的多图像加密方法
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，每天都会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。如：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算法来完成，但是加密效率往往难以令人满意。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，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算法。例如：基于小波变换的多图像加密方法、基于级联分数阶傅里叶变换的多图像加密方法等。然而，这些方法中的大部分都是就基于变换域对图像进行加密，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，这些算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往往难以令人满意。在基于数字信息处理手段方面，目前有一种基于位平面和混沌映射的多图像加密方法，由于复杂的运算，该方法的加密效率仍难以令人满意。因此，在定义了纯图元和混合图元概念的基础上，设计了一种基于混合图元和全排列的多图像加密方法。
发明内容
本发明的目的：针对现有多图像加密方法效率低、安全性弱和解密图像存在明显失真等问题，提出一种基于混合图元和全排列的多图像加密方法。
本发明的技术方案：为了实现上述发明的目的，采用的技术方案为基于混合图元和全排列的多图像加密方法，包括如下步骤：
步骤1：将原始图像分割成纯图元集；
步骤2：利用混沌系统产生全排列；
步骤3：按照全排列顺序置乱纯图元；
步骤4：组合混合图元；
步骤5：利用混沌系统产生混沌图像；
步骤6：利用混沌图像改变混合图元的内容。
进一步地，所述步骤1中，为加密k幅m×n等大小的原始图像 I 1 m×n , I 2 m×n , …,I k m×n ，发送方Alice将这k幅图像分割成k个纯图元集，在此，令纯图元的大小均为s×s，计算：
m x =m/s， （1）
n y =n/s， （2）
其中，s<min{m, n}为正整数且满足mod(m, s)=0和mod(n, s)=0，因此，纯图元的总数目为k×m x ×n y 。
进一步地，所述步骤2中，分段线性混沌映射（Piecewise linear chaotic map，PWLCM）定义为
， （3）
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混沌系统的初始值和控制参数；通过对公式（3）的k×m x ×n y 次迭代，可获得一个混沌序列X={x 1, x 2, …, x k×mx×ny }，对X进行升序排列，可得到一个新的混沌序列={x t1, x t2, …, x tk×mx×ny }，因此，t 1, t 2, …, t k×mx×ny 是集合{1, 2, …, k×m x ×n y }的一个随机全排列。
进一步地，所述步骤3中，Alice从上到下，从左到右，从第1幅到第k幅图像的顺序给1, 2, …, k×m x ×n y 幅纯图元编码，并按照步骤2产生的全排列，调整纯图元的位置，可获得混合图元集。
进一步地，所述步骤4中，将所有的混合图元组合成k幅大小均为m×n的置乱图像J 1 m×n , J 2 m×n , …, J k m×n 。
进一步地，所述步骤5中，Alice随机选取PWLCM混沌系统的初始值y 0∈(0, 1)和控制参数p 2∈(0, 0.5)，通过对公式（3）的m×n次迭代，可获得一个混沌序列Y={y 1, y 2, …,y m×n }，利用公式（4）产生一个整数混沌序列Z={z 1, z 2, …, z m×n }，
， （4）
其中，y i∈Y，z i∈Z和i=1, 2, …, m×n，将Z转化为m×n大小的矩阵，即为混沌图像C。
进一步地，所述步骤6中，利用混沌图像C，改变混合图元的内容，计算：
， （5）
其中，⊕代表两幅图像之间的异或运算，计算结果即为加密图像。
所述解密过程是加密过程的逆过程。
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，有的安全性较弱，有的解密图像存在一定程度的失真等缺点，难以令人满意，提出一种基于混合图元和全排列的多图像加密方法。主要贡献有以下3点：（1）定义了纯图元和混合图元的概念，建立了混合图元模型；（2）提出了一种基于混合图元和全排列的多图像加密方法，实现多幅图像同时加密；（3）提出的新方法，加密效率高，密钥空间大，安全性好。
附图说明
图:1：基于混合图元和全排列的多图像加密流程图。
图2：原始图像。
图3：混沌图像。
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进行进一步详细说明。
图1是基于混合图元和全排列的多图像加密流程图。
采用的编程软件为Matlab 7.0，选取图2所示的k=4幅大小为512×512的原始图像为实验对象。采用基于混合图元和全排列的多图像加密方法，对多图像加密的具体过程如下。
1． 将这k=4幅图像分割成k个纯图元集。在此，令纯图元的大小均为8×8，即s=8。按照公式（1）和（2）计算得：m x=n y=64，因此，纯图元的总数目为k×m x×n y=16384。
2． 选取PWLCM混沌系统的初始值x 0=0.250271788347860和控制参数p 1=0.288770337517726。通过对公式（3）的n次迭代，可获得一个混沌序列X。对X进行升序排序，可得到一个新的混沌序列；通过X和下标的对应关系，产生集合为{1, 2, …, 16384}的一个全排列。
3. Alice从上到下，从左到右，从第1幅到第k幅图像的顺序给1, 2, …, 16384幅纯图元编码，并按照步骤2产生的全排列，调整纯图元的位置，可获得混合图元集。
4. 将所有的混合图元组合成4幅大小均为512×512的置乱图像J 1 m×n , J 2 m×n , …,J 4 m×n 。
5. 选取PWLCM混沌系统的初始值y 0=0.479530924073081和控制参数p 2=0.106455170404558。利用y 0和p 2，通过对公式（3）的512×512次迭代，可获得一个混沌序列Y={y 1, y 2, …, y 512×512}。利用公式（4）产生一个整数混沌序列Z={z 1, z 2, …, z 512×512}，将Z转化为一个512×512大小的矩阵，即为混沌图像C，如图3所示。
6. 利用混沌图像C，改变混合图元的内容，计算：
， （6）
其中，计算结果即为加密图像，如图4所示。
在上述实例中，在已知密钥的情况下，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，从而获得原始图像。

Claims (8)

1.基于混合图元和全排列的多图像加密方法，包括如下步骤：
步骤1：将原始图像分割成纯图元集；
步骤2：利用混沌系统产生全排列；
步骤3：按照全排列顺序置乱纯图元；
步骤4：组合混合图元；
步骤5：利用混沌系统产生混沌图像；
步骤6：利用混沌图像改变混合图元的内容。
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m×n等大小的原始灰色图像 I 1 m×n , I 2 m×n , …, I k m×n ，发送方Alice将这k幅图像分割成k个纯图元集，在此，令纯图元的大小均为s×s，计算：
m x =m/s， （1）
n y =n/s， （2）
其中，s<min{m, n}为正整数且满足mod(m, s)=0和mod(n, s)=0，因此，纯图元的总数目为k×m x ×n y 。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2中，分段线性混沌映射（Piecewise linear chaotic map，PWLCM）定义为
， （3）
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混沌系统的初始值和控制参数；通过对公式（3）的k×m x ×n y 次迭代，可获得一个混沌序列X={x 1, x 2, …, x k×mx×ny }，对X进行升序排列，可得到一个新的混沌序列={x t1, x t2, …, x tk×mx×ny }，因此，t 1, t 2, …, t k×mx×ny 是集合{1, 2, …, k×m x ×n y }的一个随机全排列。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3中，Alice从上到下，从左到右，从第1幅到第k幅图像的顺序给1, 2, …, k×m x ×n y 幅纯图元编码，并按照步骤2产生的全排列，调整纯图元的位置，可获得混合图元集。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤4中，将所有的混合图元组合成k幅大小均为m×n的置乱图像J 1 m×n , J 2 m×n , …, J k m×n 。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤5中，Alice随机选取PWLCM混沌系统的初始值y 0∈(0, 1)和控制参数p 2∈(0, 0.5)，通过对公式（3）的m×n次迭代，可获得一个混沌序列Y={y 1, y 2, …, y m×n }，利用公式（4）产生一个整数混沌序列Z={z 1, z 2, …,z m×n }，
， （4）
其中，y i∈Y，z i∈Z和i=1, 2, …, m×n，将Z转化为m×n大小的矩阵，即为混沌图像C。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤6中，利用混沌图像C，改变混合图元的内容，计算：
， （5）
其中，⊕代表两幅图像之间的异或运算，计算结果即为加密图像。
8.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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