CN107734208A

CN107734208A - 一种基于hsv空间的彩色图像加解密方法

Info

Publication number: CN107734208A
Application number: CN201710939291.4A
Authority: CN
Inventors: 金鑫; 殷岁; 祝淑云; 孙楠; 李晓东; 赵耿; 张晓昆
Original assignee: General Office Of Cpc Central Committee Institute Of Electronic Science And Technology
Current assignee: General Office Of Cpc Central Committee Institute Of Electronic Science And Technology
Priority date: 2017-10-11
Filing date: 2017-10-11
Publication date: 2018-02-23

Abstract

本发明提出一种基于HSV空间的彩色图像加密方法，该方法对彩色图像的加密效果很好，可以抵抗暴力攻击、差分攻击等，更突出的是加解密速度跟RGB空间和L*a*b*空间相比快很多。本发明首次将RGB与HSV和L*a*b*色彩空间之间的转换速度做了比较，验证了基于HSV空间的彩色图像加解密的速度之快。本发明考虑到HSV三个通道所含信息量大小不同，分别采用了复杂度不同的加密方法，这样既能保证安全性，又能提高加解密速度。并且该方法很容易通过软件实现，本发明可广泛应用推广到安全图像检索、安全视频处理、安全视频监控、安全视频处理等可视媒体安全应用领域。

Description

一种基于HSV空间的彩色图像加解密方法

技术领域

本发明属于密码学、混沌加密、可视媒体安全应用领域，具体地说是基于HSV空间的彩色图像加解密方法。

背景技术

随着照相机、摄像机、智能手机的快速普及，图像、视频、3D等可视媒体大数据正在快速形成，其中数字图像在社交网络交流中被使用的越来越频繁，云环境中数字图像的安全处理成为了亟待解决的网络安全新挑战。例如，可以通过网络获取数字图像将其用于非法用途，涉及到国家安全、社会安全、个人隐私等方面的安全问题，图像加密是安全图像检索、安全视频处理、安全视频监控、安全视频处理等可视媒体安全应用领域的重要前提，因此图像加密技术的安全性开始变得极为重要。

随着混沌密码的发展，越来越广泛的应用于各个领域。利用混沌的一些特性，比如对初始条件和系统参数的敏感性、伪随机性和各态历经性等，可以将其应用于图像加密领域，由于混沌系统的高复杂性，可以提高图像加密的安全性和可靠性。

目前已有的彩色图像加密方法，几乎都是在经典的RGB色彩空间中，对RGB三个通道做加密。由于RGB空间的三个通道具有很强的相关性，因此这种彩色图像加密算法存在着一些问题：在图像加密的过程中，对每个像素进行操作时，有相同的输入和输出。这也就造成了在执行加密操作时的冗余，导致其时间效率并不令人满意，还有待进一步提高。对于其它色彩空间研究很少，之前研究过在L*a*b*空间上的选择性加密，加解密效果很好，但是加解密速度还是比较慢的，这就促使研究更快更高效的加解密方法或是选择其他的色彩空间。

发明内容

本发明要解决技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种基于HSV(一种色彩空间，V分量代表亮度，H代表色调，S代表饱和度)空间的彩色图像加解密方法，该方法对彩色图像的加密效果很好，可以抵抗暴力攻击、差分攻击等攻击，更突出的是加解密速度跟RGB空间和L*a*b*空间相比快很多。

本发明采用的技术方案为：一种基于HSV空间的彩色图像加解密方法，实现步骤如下：

(1)对输入的彩色图像加密得到加密图像，步骤如下：

(11)首先将彩色图像由RGB空间转换到HSV空间，分别取出HSV空间的三个通道的图像；

(12)对V通道使用二维Arnold猫映射和三维Lu混沌映射加密，对H和S通道使用DNA编码和一维Logistic映射加密；

(13)将加密后的三个通道图像进行合成，得到的就是加密后的图像；

(2)对加密后的图像进行解密得到解密图像，并与原输入图像做比较，步骤如下：

(21)首先将加密后的图像的三个通道分别做解密处理，具体是对V通道先用三维Lu混沌映射，然后用二维Arnold猫映射解密，对H和S通道使用DNA编码和一维Logistic映射解密，得到解密的三个通道的图像；

(22)将解密后的三个通道图像进行合成，得到的就是解密后的图像。

(3)对解密的图像进行暴力攻击、统计攻击、密钥敏感性、速度测试以验证其抗暴力攻击性能，具体如下：

(31)本发明的密钥空间大小为2³⁹⁹，而公认的安全的AES算法密钥空间是2²⁵⁶，明显2³⁹⁹远大于2²⁵⁶，说明能抵抗暴力攻击；

(32)通过加解密前后的直方图、相关系数、熵值可以看出能抵抗统计攻击；

(33)只要将密钥改变10^-15，就完全无法解密，解密出来的图像是跟加密一样的雪花点图；

(34)对本发明的算法加解密速度进行测试，速度是最快的，说明是高效的。

所述步骤(11)首先将彩色图像由RGB空间转换到HSV空间，分别取出HSV空间的三个通道的图像的具体实现过程如下：

(111)首先输入一张彩色图像input image(i)，通过matlab自带函数rgb2hsv对输入图像i做处理，得到的图像即是得到的HSV空间图像；

(112)然后把得到的图像的三个通道分别显示即可得V、H、S三个通道的图像。

本发明首次将RGB与HSV和L*a*b*色彩空间之间的转换速度做了比较，证实RGB与HSV空间的转换速度快于RGB与L*a*b*空间的转换速度，这是导致基于HSV空间的彩色图像加解密的速度比L*a*b*空间的彩色图像加解密速度快的原因之一。由于HSV空间的三个通道V通道、H通道、S通道与RGB空间的三个通道R通道、G通道、B通道有一个很大的区别，就是在HSV空间中，主要的信息量集中在V通道，而H和S通道信息量所含较少，而在RGB空间，三个通道的信息量几乎相同，出于这个原因，本发明就提出一种选择性加密方法，即对信息量大的V通道采用复杂的加密方法，就是步骤(12)中提到的二维Arnold猫映射和三维Lu映射，而对信息量较少的H和S通道采用相同的简单的加密方法，就是步骤(12)中提到的DNA编码和一维Logistic映射。

本发明的原理在于：

根据目前彩色图像加解密方案的缺陷和不足，可以总结出设计基于HSV空间的彩色图像加解密的一些规则，如下所述：

(1)彩色图像加密算法的安全性和可靠性非常重要，如果不能抵抗常见的攻击是不可以用的；

(2)随着大数据时代的发展，彩色图像数据量非常大，所以要尽可能提高加解密速度；

(3)色彩空间的研究相对较少，不同的色彩空间有不同的特点，如果能够合理利用，比如在除了RGB空间的其它色彩空间对彩色图像进行加密；

(4)不同的色彩空间之间的转换速度差别较大，可能也是一种提高加解密速度的思路。

根据上述规则，本发明利用混沌加密、HSV色彩空间、选择性加密，设计了一种新的彩色图像加解密方案。在该方案中，混沌加密为了保证图像加密的安全性和可靠性，选择在HSV空间是因为在HSV空间彩色图像的三个通道所包含的信息量大小不同，利用这一点可以进行选择性加密(对信息量大的V通道选择复杂的加密方法，对信息量小的H和S通道选择简单的加密方法)，这样可以大大提高加解密速度。

本发明与现有的技术相比，其优势在于：

(1)加解密速度非常快。本发明采用了权利要求中的选择性加密，对信息量大的V通道选择复杂的加密方法，即二维Arnold猫映射和三维Lu映射，对信息量小的H和S通道选择简单的加密方法，即DNA编码和一维Logistic映射，现有的基本都是在RGB空间对三个通道采用相同的加密方法，为了保证安全性，都使用复杂的加密方法，这样加解密速度就会比较慢，也有采用选择性加密的，但是没有在HSV空间上这么做过，本发明第一次对RGB与HSV和L*a*b*空间的转换速度做了比较，发现RGB与HSV空间的转换速度快很多，最终加解密速度亦是如此。

(2)在高速加密的情况下保持了加密效果的安全性。本发明是兼顾速度和安全性两方面的一种方法，牺牲了一定的安全性，但由于用简单的加密方法加密的是信息量很少的H和S通道，所以对安全性影响并不大，这种方法大大加快了加解密速度，又能保证安全性。

附图说明

图1是本发明方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

一维logistic映射由公式(1)描述：

f(x)＝μx(1-x)，x∈[0,1] (1)

其中，μ是常数。当x∈[0,1]，f(x)∈[0,1]，0≤μ≤4时此映射产生的序列才表现出混沌的特性。

二维Arnold猫映射由公式(2)和公式(3)描述：

其中，p、q为密钥，X、Y为置乱前图像像素的原始位置，X'、Y'为置乱后图像像素的新位置。

三维Lu混沌映射由公式(4)描述；

其中，(x，y，z)为系统轨迹；(a，b，c)为系统参数。当a＝36,b＝3,c＝20时，系统有一个奇怪吸引子，处于混沌状态。

如图1所示，本发明加密过程可以分为以下具体步骤：

(1)图像加密步骤：

(11)读入一张彩色图像，将图像从RGB空间转换到HSV空间；

(112)然后把得到的图像的三个通道分别显示一下即可得V、H、S三个通道的图像。

(12)对Y通道通过二维Arnold猫映射进行置乱，即把V通道图像的每个像素点的位置通过公式(2)进行变化，达到置乱的目的。再通过三维Lu混沌映射进行混淆，即把置乱后的图像的每个像素点的像素值通过公式(4)进行变化，达到混淆的目的。这样V通道加密就完成了。对H和S通道采用相同的加密方法，首先通过DNA编码把H和S通道图像的像素值用DNA碱基对A、T、G、C表示，然后通过公式(1)产生密钥，对密钥和H、S通道的像素值进行DNA加法运算，然后进行求补运算，最后对得到的DNA码进行反解码，也就是再转换成二进制的值，进而用十进制值表示，得到的像素值图像就是加密后的图像，这样H和S通道加密就完成了；

(13)将加密后的V、H、S三个通道合成得到的就是加密图像。

(2)图像解密步骤：

(21)对V通道通过三维Lu混沌映射进行变换，然后再通过二维Arnold猫映射进行变换，即加密过程反过来，这样V通道解密就完成了。同理，对H和S通道，首先通过DNA编码把H和S通道图像的像素值用DNA碱基对A、T、G、C表示，然后利用密钥，对密钥和H、S通道的像素值进行DNA求补运算，然后进行DNA加法运算，最后对得到的DNA码进行反解码，也就是再转换成二进制的值，进而用十进制值表示，得到的像素值图像就是解密后的图像，这样H和S通道解密就完成了；

(22)将得到的HSV空间的图像转换到RGB空间，得到的就是解密的图像。具体是:将解密得到的HSV空间的图像通过matlab自带函数hsv2rgb做处理，得到的图像即是解密的RGB空间图像。

(31)本发明的密钥空间大小为2³⁹⁹,而公认的安全的AES算法密钥空间是2²⁵⁶，明显2³⁹⁹远大于2²⁵⁶，说明能抵抗暴力攻击；

(32)通过加解密前后的直方图、相关系数、熵值可以看出能抵抗统计攻击。输入的图像直方图是很不平整的，而加密后的图像直方图是很平整的。输入图像的相关系数很大，大约是0.5276，比较大，说明相关性比较强，而加密后的图像的相关系数很小，大约是0.0049；接近于0，说明相关性很弱。加密后的图像熵值大约是7.9972，接近于8，根据熵最大定理可知加密后的图像像素点值是很平均的；

(34)对本发明的算法加解密速度进行测试，跟在RGB和L*a*b*空间加解密相比，速度是最快的。

总之，本发明中提出的一种基于HSV空间的彩色图像加密方法，该方法对彩色图像的加密效果很好，可以抵抗暴力攻击、差分攻击等攻击，最主要的是加解密速度跟RGB空间和L*a*b*空间相比快很多。本发明考虑到HSV三个通道所含信息量大小不同，进行了选择性加密，对信息量大的V通道选择复杂的加密方法，对信息量小的H和S通道选择简单的加密方法，这样既能保证安全性，又能提高加解密速度。并且该方法很容易通过软件实现，可广泛应用推广到安可视媒体安全应用领域。

以上所述仅为本发明的一些基本说明，依据本发明的技术方案所做的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于HSV空间的彩色图像加解密方法，其特征在于实现步骤：

(1)对输入的彩色图像加密得到加密图像，步骤如下：

(2)对加密后的图像进行解密得到解密图像，并与原输入图像作比较，步骤如下：

2.根据权利要求1所述的基于HSV空间的彩色图像加解密方法，其特征在：

(111)首先输入一张彩色图像input image(i)，通过matlab自带函数rgb2hsv对输入图像做处理，得到的图像即是得到的HSV空间图像；

(112)把得到的图像的三个通道分别显示即得到V、H、S三个通道的图像。