CN107341758B - 一种基于多涡卷混沌系统的图像加密方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于图像处理技术，具体涉及一种基于多涡卷混沌系统的图像加密方法，该方法通过涡卷系统生成三段混沌序列，在图像像素位置变换过程中，分别用第一混沌序列和第二混沌序列进行行变换和列变换，在图像像素值替换过程中，又分别用第二混沌序列和第三混沌序列进行正向替代和反向替代，从而有效增加了加密算法的复杂度，保证了系统的安全性。

Description

一种基于多涡卷混沌系统的图像加密方法
技术领域
本发明涉及图像处理技术，具体地说，是一种基于多涡卷混沌系统的图像加密方法。
背景技术
随着信息技术的发展，每天的信息传输量越来越多，人们对信息安全的关注度也越来越高。为了有效保证用户信息不被非法使用，通常在信息传输中的都采用了加密算法。
针对图像加密而言，混沌加密属于目前研究的热点。按照加密变换方式不同，基于混沌的图像加密方法可分为像素位置变换和像素值变换两种，但是现有的混沌加密，大多采用低维混沌系统或映射，但是其存在的技术缺陷是：密钥空间小，混沌序列复杂度不高，到账密码系统安全性不高，难以抵抗攻击。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种基于多涡卷混沌系统的图像加密方法，通过生成多段混沌序列，同时将其应用于像素位置变换和像素值变换过程中，从而提升算法复杂性，保证加密系统安全。
为了实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
一种基于多涡卷混沌系统的图像加密方法，其关键在于按照以下步骤进行：
S1：利用多涡卷混沌系统产生3个混沌序列，分别记为H1,H2,H3；
S2：将图像用像素矩阵P表示，并根据图像大小确定行数M和列数N；
S3：截取混沌序列H1中长为M的序列来构成行置乱随机向量X；
S4：截取混沌序列H2中长为N的序列来构成列置乱随机向量Y；
S5：将像素矩阵P中的第i行与第Xi行互换，第j列与第Yj列互换，从而得到置乱图像Pxy，其中Xi为随机向量X中第i个元素的值，Yj为随机向量Y中第j个元素的值；
S6：从混沌序列H2中截取长为M×N的序列对置乱图像Pxy各个像素值进行正向替代，然后在从混沌序列H3中截取长为M×N的序列对其进行反向替代，最终得到加密后的图像。
可选地，步骤S1中采用的多涡卷混沌系统为单方向Jerk 10涡卷系统，其数学表达式为：
式中变量A＝0.5，N＝4，β＝0.45。
进一步地，步骤S3中按照：
X＝mod{floor[(H1(1:M)+100)*10^10],M}+1来构成行置乱随机向量X；
步骤S4中按照：Y＝mod{floor[(H2(1:N)+100)*10^10],N}+1来构成列置乱随机向量Y；
式中H1(1:M)表示依次取混沌序列H1中长为M的序列，H2(1:N)表示依次取混沌序列H2中长为N的序列，floor()表示浮点运算函数，mod()表示求模运算函数，将直接运算所得的X中重复的数只保留一个，并用{1,2,…,M}中没有出现在X中的元素由小到大排列在随机向量X的末尾，得到最终的行置乱随机向量X，且该随机向量中的各个元素Xi∈{1,2,…,M}；同理，将直接运算所得的Y中重复的数只保留一个，并用{1,2,…,N}中没有出现在Y中的元素由小到大排列在Y的末尾，得到最终的列置乱随机向量Y，且该随机向量中的各个元素Yi∈{1,2,…,N}。
进一步地，步骤S6中正向替代序列的生成方式为：
Z1＝mod{floor[(H2(1:M*N)+100)*10^10],256}；
步骤S6中反向替代序列的生成方式为：
Z2＝mod{floor[(H3(1:M*N)+100)*10^10],256}；
其中，H2(1:M*N)表示依次取混沌序列H2中长为M*N的序列，H3(1:M*N)表示依次取混沌序列H3中长为M*N的序列。
进一步地，步骤S6中，将置乱图像Pxy展开为一维向量；
正向替换时，i从1增加到M*N，正向替换后向量记为C且：
反向替换时，i从M*N减少到1，反向替换后向量记为D且：
其中C0与DM*N+1为常熟，在密钥中预先给出，为置乱图像Pxy展开为一维向量后的第i个元素，Ci为正向替换后向量C中的第i个元素，Di为反向替换后向量D中的第i个元素，Z1,i为正向替代序列Z1中的第i个元素，Z2,i为反向替代序列Z2中的第i个元素。
本发明的显著效果是：
本发明通过生成三段混沌序列，在图像像素位置变换过程中，分别用第一混沌序列和第二混沌序列进行行变换和列变换，在图像像素值替换过程中，又分别用第二混沌序列和第三混沌序列进行正向替代和反向替代，从而有效增加了加密算法的复杂度，保证了系统的安全性。
附图说明
图1为实现本方法的实验箱的电路原理框图；
图2为实现本方法的实验箱的安装结构示意图；
图3为图2所示实验箱的使用状态连接关系图。
具体实施方式
下面对发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。
本发明公开一种基于多涡卷混沌系统的图像加密方法，主要按照以下步骤进行：
S1：利用多涡卷混沌系统产生3个混沌序列，分别记为H1,H2,H3；
具体实施时，采用的多涡卷混沌系统为单方向Jerk 10涡卷系统，其数学表达式为：
式中变量A＝0.5，N＝4，β＝0.45。
S2：将图像用像素矩阵P表示，并根据图像大小确定行数M和列数N，每个像素值为0～255。
S3：截取混沌序列H1中长为M的序列来构成行置乱随机向量X；
S4：截取混沌序列H2中长为N的序列来构成列置乱随机向量Y；
S5：将像素矩阵P中的第i行与第Xi行互换，第j列与第Yj列互换，从而得到置乱图像Pxy，其中Xi为随机向量X中第i个元素的值，Yj为随机向量Y中第j个元素的值；
S6：从混沌序列H2中截取长为M×N的序列对置乱图像Pxy各个像素值进行正向替代，然后在从混沌序列H3中截取长为M×N的序列对其进行反向替代，最终得到加密后的图像。
具体实施时，步骤S3中按照：
X＝mod{floor[(H1(1:M)+100)*10^10],M}+1来构成行置乱随机向量X；
步骤S4中按照：Y＝mod{floor[(H2(1:N)+100)*10^10],N}+1来构成列置乱随机向量Y；
式中H1(1:M)表示依次取混沌序列H1中长为M的序列，H2(1:N)表示依次取混沌序列H2中长为N的序列，floor()表示浮点运算函数，mod()表示求模运算函数，将直接运算所得的X中重复的数只保留一个，并用{1,2,…,M}中没有出现在X中的元素由小到大排列在随机向量X的末尾，得到最终的行置乱随机向量X，且该随机向量中的各个元素Xi∈{1,2,…,M}；同理，将直接运算所得的Y中重复的数只保留一个，并用{1,2,…,N}中没有出现在Y中的元素由小到大排列在Y的末尾，得到最终的列置乱随机向量Y，且该随机向量中的各个元素Yi∈{1,2,…,N}。
同时，步骤S6中正向替代序列的生成方式为：
Z1＝mod{floor[(H2(1:M*N)+100)*10^10],256}；
步骤S6中反向替代序列的生成方式为：
Z2＝mod{floor[(H3(1:M*N)+100)*10^10],256}；
其中，H2(1:M*N)表示依次取混沌序列H2中长为M*N的序列，H3(1:M*N)表示依次取混沌序列H3中长为M*N的序列。
在进行像素替换时，先将置乱图像Pxy展开为一维向量；
正向替换时，i从1增加到M*N，正向替换后向量记为C且：
反向替换时，i从M*N减少到1，反向替换后向量记为D且：
其中C0与DM*N+1为常熟，在密钥中预先给出，Pi xy为置乱图像Pxy展开为一维向量后的第i个元素，Ci为正向替换后向量C中的第i个元素，Di为反向替换后向量D中的第i个元素，Z1,i为正向替代序列Z1中的第i个元素，Z2,i为反向替代序列Z2中的第i个元素。
在具体操作过程中，混沌值可以采用MATLAB自带的函数ode45来求解，经过处理转化即可得到可用的混吨序列。
为了进一步验证上述加密算法的效果，本发明还研发了一套用于图像加密处理的实验箱，如图1所示，包括箱体，所述箱体的内部设置有第一DSP控制板和第二DSP控制板，在所述第一DSP控制板和第二DSP控制板上分别设置有用于实现相互通信的无线通信装置，在所述第一DSP控制板和第二DSP控制板之间还通过网线连接实现有线通信，在所述箱体上还设置有第一外接电源接口、第一外接PC机接口、第二外接电源接口以及第二外接PC机接口；所述第一外接电源接口与所述第一DSP控制板连接，用于实现第一DSP控制板供电；该第一DSP控制板通过第一仿真器与所述第一外接PC机接口相连，用于实现原始图像数据与加密算法的上传；所述第二外接电源接口与所述第二DSP控制板连接，用于实现第二DSP控制板供电；该第二DSP控制板通过第二仿真器与所述第二外接PC机接口相连，用于实现解密算法与同步解码信息的传输；在所述箱体内部设置有主面板，所述主面板上按照左右并排镶嵌有第一显示器和第二显示器，所述第一显示器连接所述第一DSP控制板，用于显示原始图像与加密后的图像信息；所述第二显示器连接所述第二DSP控制板，用于显示加密图像以及解密后的图像信息。
如图2所示，图中可见部件的标注对应如下：1为箱体，2为主面板，3为提手，4为第一显示器，5为第二外接PC机接口，6为第二网络接口。通过图2可以看出，在本实施例中，箱体1呈方型，设有可翻折的箱盖，为了便于电源连接，第一外接电源接口和所述第二外接电源接口位于箱体的后侧面板上，第一外接PC机接口位于箱体的左侧面板上，第二外接PC机接口5位于箱体的右侧面板上，正面设有把手3，箱体主面板2上左右对称设置第一显示器和第二显示器，由于图像处理一般采用256*256的Lena图，为了使结果显示更为明晰，采用尺寸较大的LCD屏，本例中第一显示器与所述第二显示器均为7寸LCD显示器，为了便于网线连接，在所述主面板2上左右并列设置有第一DSP控制板的网络接口和第二DSP控制板的网络接口6，所述网线可插拔的连接在二者之间，为了保护核心电路被意外损坏，所述第一DSP控制板、第二DSP控制板、第一仿真器以及第二仿真器固定在所述主面板的背面。
从图2还可以看出，为了便于散热，在所述箱体的侧壁上设置有散热筋，
在具体实施时，所述无线通信装置为WiFi模块，可以传输较大的数据流，能够完成加密后的图像信息传输，由于该实验箱的实验对象是混沌系统与图像加密，这两者均需要极强的运算能力和处理能力，因此DSP控制芯片需要性能较好，所以在实施时，所述第一DSP控制板和第二DSP控制板中的核心处理器均采用芯片型号为TMS320C6748的DSP芯片。
如图3所示，本实验箱的使用方式如下：
实验箱外接PC机，将本发明所述的图像加密算法导入，由第一DSP控制板进行加密过程处理，并通过第一显示器对处理后的结果进行显示，同时，利用无线传输或有线传输装置进行加密处理后信息的传输，通过第二DSP控制板对加密信息进行解密，并通过第二显示器显示出解密效果，通过一套完整的实验流程，最终验证了加密算法的可行性，并直观的体现出加密算法的效果。

Claims (2)

1.一种基于多涡卷混沌系统的图像加密方法，其特征在于按照以下步骤进行：
S1：利用多涡卷混沌系统产生3个混沌序列，分别记为H1,H2,H3；
S2：将图像用像素矩阵P表示，并根据图像大小确定行数M和列数N；
S3：截取混沌序列H1中长为M的序列来构成行置乱随机向量X；
S4：截取混沌序列H2中长为N的序列来构成列置乱随机向量Y；
S5：将像素矩阵P中的第i行与第Xi行互换，第j列与第Yj列互换，从而得到置乱图像Pxy，其中Xi为随机向量X中第i个元素的值，Yj为随机向量Y中第j个元素的值；
S6：从混沌序列H2中截取长为M×N的序列对置乱图像Pxy各个像素值进行正向替代，然后在从混沌序列H3中截取长为M×N的序列对其进行反向替代，最终得到加密后的图像；
其中，
步骤S3中按照：X＝mod{floor[(H1(1:M)+100)*10^10],M}+1来构成行置乱随机向量X；
步骤S4中按照：Y＝mod{floor[(H2(1:N)+100)*10^10],N}+1来构成列置乱随机向量Y；
式中H1(1:M)表示依次取混沌序列H1中长为M的序列，H2(1:N)表示依次取混沌序列H2中长为N的序列，floor()表示浮点运算函数，mod()表示求模运算函数，将直接运算所得的X中重复的数只保留一个，并用{1,2,…,M}中没有出现在X中的元素由小到大排列在随机向量X的末尾，得到最终的行置乱随机向量X，且该随机向量中的各个元素Xi∈{1,2,…,M}；同理，将直接运算所得的Y中重复的数只保留一个，并用{1,2,…,N}中没有出现在Y中的元素由小到大排列在Y的末尾，得到最终的列置乱随机向量Y，且该随机向量中的各个元素Yi∈{1,2,…,N}；
步骤S6中正向替代序列的生成方式为：
Z1＝mod{floor[(H2(1:M*N)+100)*10^10],256}；
步骤S6中反向替代序列的生成方式为：
Z2＝mod{floor[(H3(1:M*N)+100)*10^10],256}；
其中，H2(1:M*N)表示依次取混沌序列H2中长为M*N的序列，H3(1:M*N)表示依次取混沌序列H3中长为M*N的序列；
步骤S6中，将置乱图像Pxy展开为一维向量；
正向替换时，i从1增加到M*N，正向替换后向量记为C且：
反向替换时，i从M*N减少到1，反向替换后向量记为D且：
其中C0与DM*N+1为常数，在密钥中预先给出，Pi xy为置乱图像Pxy展开为一维向量后的第i个元素，Ci为正向替换后向量C中的第i个元素，Di为反向替换后向量D中的第i个元素，Z1,i为正向替代序列Z1中的第i个元素，Z2,i为反向替代序列Z2中的第i个元素。
2.根据权利要求1所述的一种基于多涡卷混沌系统的图像加密方法，其特征在于：步骤S1中采用的多涡卷混沌系统为单方向Jerk 10涡卷系统，其数学表达式为：
式中变量A＝0.5，N＝4，β＝0.45。
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