CN108205793A - 一种用于静止图像的基于混沌密钥加密方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于静止图像的基于混沌密钥加密方法，该方法包括进行控制参数、初始条件和其他变量的初始化；执行M×N×b次回路，M和N分别表示明文图像的宽度和高度，b表示一个像素的字节数；通过使用分段线性混沌映射生成用于接下来的S盒和P盒的参数；用前一个回路生成的密文字节来简单掩蔽当前的明文字节；执行r轮的前述代换S盒与置P盒。本发明与近来提出的基于混沌密钥的算法不同，改善了混沌映射的平衡特性；在C++环境下做了实验，结果表明算法是有效的，在保持加密算法性能的情况下，可以同时保证并大大改善图像的压缩比。

Description

一种用于静止图像的基于混沌密钥加密方法

技术领域

本发明属于网络上图像的压缩和加密处理技术领域，尤其涉及一种用于静止图像的基于混沌密钥加密方法。

背景技术

一般来说，数据传输尤其是静止图像的传输必须达到两个目标，公共通讯网络所负荷的数据的限量还原以及发送信息的最大安全性(Li等，2009；Hussain等，2015；Lu等，2016)。信息安全性是指数据保密性、数据完整性、数据认证以及数据的不可否认性。数据保密性是这一研究中所感兴趣的，在于将数据对所有那些未被授权的人士进行保密。为了达到这两个目标，有必要采用加密压缩方法。对于加密方法来说，多尺度变换由于可以兼顾基本结构以及图像中包含的小细节，显得很有意思(Yang等，2009；Mao等，2004；Liu等，2015)。最近，基于混沌映射的图像加密方法因有进行数字多媒体加密的潜力而引起了广泛关注(Yen等，2000；Li等，2000；Chen等，2004；Gao等，2008；Cheddad等，2010；Wang等，2011；Besharatei等，2013；Mirzaei等，2016)。Yen等(2000)提出了用于图像加密的基于混沌密钥的算法(Chaotic-key Based Algorithm，CKBA)。随后，Li等(2000)指出CKBA的安全性被极度高估，并且CKBA易受几种类型的攻击。不仅可攻击CKBA的唯密文攻击的复杂性要求远低于原本声称的那样，而且事实上Li等(2000)描述过的已知/选择明文攻击也可攻击CKBA。如Li等(2000)所述，抵抗唯密文攻击的安全性可通过密钥长度的增加而得以增强。所提出的基于混沌的加密方案主要采用混沌映射来生成一个随机序列以置换明文图像的像素，以及生成伪随机位序列以代换这些像素，从而获得一张加密的图像(Riaz等，2012；Solak等，2010；Li等，2013)。然而，如此简单的对策并不能改善对抗已知/选择明文攻击的安全性。基于最初CKBA的思想，基于一个一维逻辑映射。这个一维逻辑映射已经被指出不可避免地易受已知/选择明文攻击，而且声称的可抵抗唯密文攻击的高安全性其实是其作者高估的结果。而且，逻辑映射会产生不平衡输出。在统一的系统内，JPEG2000标准能更好地容许不同成像模式(客户机/服务器、实时传输、图像库存档、有限缓冲器和带宽资源等)，JPEG2000标准被建立来在统一的系统内更好地为带有不同特征(自然图像、科学图像、医学图像、遥感图像、文本图像与渲染的图形等)的不同类型的静止图像(二值图像、灰度图像、彩色图像与多组分图像)创建新的图像编码系统(Skodras等，2001)。这一编码系统在不影响率失真谱里其他点的性能且同时集成了许多有趣的功能的情况下，会提供率失真和主观图像质量性能均优于现有标准的低比特率运算。如下列出一些该标准的最重要的特点(Christopoulos等，2000)：卓越的低比特率性能，连续色调与二值压缩，无损与有损压缩，按像素精度和分辨率渐进传输，感兴趣区(Region-of-interest，ROI)编码，开放式架构，对比特错误的强健性，受防护的图像安全性，基于内容的描述，侧通道空间信息，随机码流访问和处理。有效而完整的JPEG2000码流被包含在连续码流块中。当图像被显示的时候，合格的阅读器应该忽视掉文件中找到的首个码流之后的所有码流。码块的内容被组织成一个由标记、标记段和比特流组成的集。许多基于混沌映射的图像加密算法已经被提出(Wong等，2008；Ye等，2012；Ye等，2013；Diaconu等，2013；Zhu，2012；Kwok等，2007)。CKBA基于一维逻辑映射。而基于混沌映射的图像加密方法因有进行数字多媒体加密的潜力而受到了广泛关注。本质上，CKBA是一个值转换加密程序。M×N大小的图像I的CKBA加密通过以下步骤实现：选出2个8位机密密钥k₁和k₂，和一维混沌系统的一个16位机密初始条件X(0)。迭代运行这一混沌系统以生成由16位数组成的一个序列。如果I(x，y)是明文图像I中的一个8位像素值，且0≤x<M而0≤y<N，那么相应的密文像素由以下规则定义：

这里b'(x,y)＝2b(l)+b(l+1)且l＝2(l+yM)。作为安全性要求，虽然密钥k₁和k₂是随机选出的，但是两者间的代码间距必须是4。即k₁与k₂应该准确相差|k_i|/2个位置，这里i∈{1,2}且|k_i|表示k_i的位数。最后，快速观察显示，因为XOR是个对合运算，所以解密过程其实是种恒等映射。过去人们过度高估了前述算法的安全性。此外，该初始框架常遭受已被描述过的已知/选择明文攻击。也就是说，只要有一张明文图像及其相应的密文图像是已知的，那么CKBA就可被彻底破坏。假设有图像I及其通过使用机密密钥【k₁，k₂及x(0)】进行CKBA加密而获得的加密图像I'。根据该算法的定义，I'可由I借助特定图像掩模I_m进行XOR运算获得。所以，图像掩模I_m可以简单地通过XOR运算图像I和图像I'而获得。这个掩模之后可用于彻底解码所有其他有相同或者更小尺寸的且由同样密钥【k₁，k₂及x(0)】加密获得的图像。在实用密码技术中，易受选择/已知明文攻击的密码系统一般是不受推荐的。对于很多应用来说，必须不断改变密钥才能实现从一张图像到另一张图像的转换是一个大的缺点。此外，这样的加密程序应用于视频(图像序列)时，无法维持安全性。因此，能够抵抗这些类型的攻击的加密程序相对来说更可取得多。

综上所述，CKBA加密方法存在必须不断改变密钥；无法维持安全性的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于静止图像的基于混沌密钥加密方法，旨在解决CKBA加密方法存在必须不断改变密钥；否则容易通过前一幅图像分析解码得出用于攻击新的加密图像的密钥，从而无法维持安全性的问题。

本发明是这样实现的，一种用于静止图像的基于混沌密钥加密方法，所述用于静止图像的基于混沌密钥加密方法包括以下步骤：

步骤一，进行控制参数、初始条件和其他变量的初始化；

步骤二，执行M×N×b次回路，M和N分别表示明文图像的宽度和高度，b表示一个像素的字节数；

步骤三，通过使用分段线性混沌映射生成用于接下来的S盒和P盒的参数；用前一个回路生成的密文字节来简单掩蔽当前的明文字节；执行r轮的前述代换S盒与置P盒。

进一步，所述用于静止图像的基于混沌密钥加密方法密钥长度128位；128位密钥k提供初始条件和控制参数用于分段线性混沌映射生成2个伪随机混沌序列{x}和{y}的过程，两个序列分别都在S盒和P盒中被用作控制参数。

进一步包括：字节表示明文图像像素值，被编组到一个一维序列中，然后被逐个处理：在进入SP网络之前，每一个明文字节都由其之前的密文字节掩蔽；SP网络由一个S盒和一个P盒组成，用于多轮运算。

进一步，分段线性混沌映射通过如下方法得到：

数字混沌伪随机序列x(n)∈(0,1)，n≥0，初始条件是x(0)且正实时控制参数μ∈(0,0.5)；映射有两个参数，即伪随机序列的初始条件x(0)及控制参数μ。

进一步，S盒变换σ_r及其逆过程被定义如下：

u和v是两个字节。

进一步，P盒为明文图像增加扩散性；对于一个字节来说，8阶序列组记做S₈；用π_i表示一个特定的序列，其中i∈(0,8！)，i是按照序贯式笛卡尔坐标的顺序归类的完全对称序列组S₈的索引号：

π∈S₈，其标准形式记为：

字节B记为B＝[b₁,b₂,b₃,b₄,b₅,b₆,b₇,b₈]，这里b_i是这个字节的第i个MSB位；B的正向序列是π(B)＝[b₄,b₆,b₇,b₁,b₃,b₈,b₂,b₅]，B的反向序列是π^-1(B)＝[b₁,b₂,b₃,b₄,b₅,b₆,b₇,b₈]。

本发明提供的用于静止图像的基于混沌密钥加密方法，密钥长度增加到了128位；原先CKBA中的一维逻辑映射被一个分段线性混沌映射(Piecewise Linear Chaotic Map，PWLCM)所取代，从而改善了混沌映射的平衡特性；基于新的混沌映射的一个伪随机序列发生器被引入作为加密和解密过程中的一个附加构件，发生器可形成一个置换盒并增加系统的扩散性；应用了一个更复杂的代换盒；引入了多轮加密和解密过程。

本发明与近来提出的基于混沌密钥的算法不同，改善了混沌映射的平衡特性。在C++环境下做了实验，结果表明，的算法是有效的，其在保持加密算法性能的情况下，可以同时保证并大大改善图像的压缩比。

附图说明

图1是本发明实施例提供的用于静止图像的基于混沌密钥加密方法流程图。

图2是本发明实施例提供的实施例的流程图。

图3是本发明实施例提供的矩阵的结构示意图。

图4是本发明实施例提供的解密算法及其与加密过程相比较存在的变化示意图。

图5是本发明实施例提供的JP2文件的加密时间和解密时间示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的用于静止图像的基于混沌密钥加密方法包括以下步骤：

S101：进行控制参数、初始条件和其他变量的初始化；

S102：执行M×N×b(图像数据大小)次回路，M和N分别表示明文图像的宽度和高度，b表示一个像素的字节数；

S103：通过使用分段线性混沌映射(Piecewise Linear Chaotic Map，PWLCM)生成用于接下来的S盒(代换)和P盒(置换)的参数；用前一个回路生成的密文字节来简单掩蔽当前的明文字节。执行r轮的前述代换(S盒)与置换(P盒)。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。

1基于混沌密钥的新算法

1.1基本思想

基于Li等(2000)提出的CKBA的工作，本发明提出了NCKBA算法。

CKBA基于已被证明不可避免地易受已知/选择明文攻击的一维逻辑映射，而且声称的其抵抗唯密文攻击的高安全性其实是其作者的过高估计。另外，逻辑映射会产生不平衡输出。

NCKBA通过几个步骤来提高自身的性能：

(1)密钥长度增加到了128位。

(2)原先CKBA的一维逻辑映射被PWLCM所取代，从而提高了混沌映射的平衡特性。

(3)基于新的混沌映射的伪随机序列发生器(Pseudo-Random PermutationGenerator，PRPG)可形成一个P盒并为系统增添扩散性，因而被引入作为加密和解密过程中的一个附加构件。

(4)应用了一个更加复杂的S盒。

(5)引入了多轮加密和解密过程。

其实，NCKBA的基本思想并不复杂。字节表示明文图像像素值，被编组到一个一维序列中，然后被逐个处理：在进入SP网络之前，每一个明文字节都由其之前的密文字节掩蔽【密码块链接(Cipher Block Chaining，CBC)】。SP网络由一个S盒和一个P盒组成，可用于多轮运算。

1.2三个主块

1.2.1PWLCM

PWLCM通过如下方法得到：

这里，数字混沌伪随机序列x(n)∈(0,1)，n≥0，初始条件是x(0)且正实时控制参数μ∈(0,0.5)。因此，该映射有两个参数，即伪随机序列的初始条件x(0)及控制参数μ。

1.2.2CBC

此块中，明文字节的运算比较简单：用前一个密文字节执行按位异或(XOR)运算：

密文字节(i)＝明文字节(i)XOR密文字节(i-1) (3)

每一个密文字节都与紧邻的前一个密文字节相关，这样就形成了所谓的密码块链接(Cipher Block Chaining，CBC)。

1.2.3SP网络

1)S盒

S盒，这里的“S”代表“代换”的意思，用来代换原始字节以增加明文图像的混乱度。NCKBA中S盒变换σ_r及其逆过程被定义如下：

这里u和v是两个字节。为了保证变换的结果保持在一个字节的上限之内，模数u+v必须被执行。

2)P盒

伪随机序列发生器(Pseudo-Random Permutation Generator，PRPG)被引入来为明文图像增加扩散性。对于一个字节来说，包括其自身在内，其各位的所有可能序列数是8！(等于8×7×6×5×4×3×2×1)。这些序列称作8阶序列组，记做S₈。用π_i表示一个特定的序列，其中i∈(0,8！)，i是按照序贯式笛卡尔坐标的顺序归类的完全对称序列组S₈的索引号。以下给出的是一个演示例子：

假设π∈S₈，其标准形式记为：

字节B记为B＝[b₁,b₂,b₃,b₄,b₅,b₆,b₇,b₈]，这里b_i是这个字节的第i个MSB位(该字节左起第i位)。B的正向序列是π(B)＝[b₄,b₆,b₇,b₁,b₃,b₈,b₂,b₅]，B的反向序列是π^-1(B)＝[b₁,b₂,b₃,b₄,b₅,b₆,b₇,b₈]。

1.3加密算法

NCKBA加密算法及其相应流程图如图2所示，这里x_i32表示一个32位整数变量，x是其标准化浮点表示法，相当于其相关的实数区间，诸如此类。

第一步，进行控制参数、初始条件和其他变量的初始化。

第二步，执行M×N×b(图像数据大小)次回路，这里M和N分别表示明文图像的宽度和高度，b表示一个像素的字节数。在每个回路中，明文图像的一个字节被处理一次。一次回路中的基本处理单元是一个字节，而不是一个像素值。像素值由位来表示(8位组成一个字节)，可以是一个整数或者一个实数值，例如，一张BMP格式的图像的8位/像素或者一张JP2格式的图像的5.6位/像素。计算机存储设备的基本单元是字节。所以用字节作为处理的基本单元就会比较简单且更方便。有时，用M×N×b来计算图像数据的大小并不可行，例如，对于一个JP2文件来说，每像素的位数值通常是实数，且图像数据也不是基于图像宽度和图像高度来配置的。在这种情况下，回路次数应被代换，其中一个例子就是本发明接下来讲的JP2文件图像数据的提取。

有3个块来执行前述的不同任务。通过使用分段线性混沌映射(Piecewise LinearChaotic Map，PWLCM)生成用于接下来的S盒(代换)和P盒(置换)的参数。用前一个回路生成的密文字节来简单掩蔽当前的明文字节。执行r轮的前述代换(S盒)与置换(P盒)。

在算法中，128位密钥k提供初始条件和控制参数用于分段线性混沌映射生成2个伪随机混沌序列{x}和{y}的过程，这两个序列分别都在代换(S盒)和置换(P盒)中被用作控制参数。对于一个n位分段x来说，l(x)表示其低显著性的一半，h(x)表示其高显著性的那一半。

算法中有5个矩阵需要解释，矩阵的结构如图3所示。

1.4解密算法

用来解密一张加密图像的反向变换与Li等(2000)所提出的加密算法的差别非常微小，而且矩阵的数据结构是一样的。见图4，不同之处已被标出。

下面结合实验对本发明的应用效果作详细的描述。

本实验在Windows操作系统下以2.83GHz因特尔奔腾M处理器来完成。首先，对BMP文件执行NCKBA运算。然后对JP2文件执行NCKBA运算。NCKBA处理BMP和JP2格式图像的运行时间已经被列在表1和表2中。

由表1和表2可以看到，加密时间和解密时间都与图像缓冲器的大小成线性关系。

NCKBA曲线的加密时间和解密时间的结果如图5所示。应该指出的是，最后一步的测试图像与用在BMP文件中的图像不一样。其原始BMP格式文件的大小是1024×1024×3。图像比特深度未给出的原因是由JPEG2000编码系统压缩后，图像的比特深度是实数值，而不是整数。

表1 BMP文件的加密时间和解密时间

表2 JP2文件的加密时间和解密时间

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于静止图像的基于混沌密钥加密方法，其特征在于，所述用于静止图像的基于混沌密钥加密方法包括以下步骤：

步骤一，进行控制参数、初始条件和其他变量的初始化；

步骤二，执行M×N×b次回路，M和N分别表示明文图像的宽度和高度，b表示一个像素的字节数；

步骤三，通过使用分段线性混沌映射生成用于接下来的S盒和P盒的参数；用前一个回路生成的密文字节来简单掩蔽当前的明文字节；执行r轮的前述代换S盒与置P盒。

2.如权利要求1所述的用于静止图像的基于混沌密钥加密方法，其特征在于，所述用于静止图像的基于混沌密钥加密方法密钥长度128位；128位密钥k提供初始条件和控制参数用于分段线性混沌映射生成2个伪随机混沌序列{x}和{y}的过程，两个序列分别都在S盒和P盒中被用作控制参数。

3.如权利要求1所述的用于静止图像的基于混沌密钥加密方法，其特征在于，进一步包括：字节表示明文图像像素值，被编组到一个一维序列中，然后被逐个处理：在进入SP网络之前，每一个明文字节都由其之前的密文字节掩蔽；SP网络由一个S盒和一个P盒组成，用于多轮运算。

4.如权利要求1所述的用于静止图像的基于混沌密钥加密方法，其特征在于，分段线性混沌映射通过如下方法得到：

数字混沌伪随机序列x(n)∈(0,1)，n≥0，初始条件是x(0)且正实时控制参数μ∈(0,0.5)；映射有两个参数，即伪随机序列的初始条件x(0)及控制参数μ。

5.如权利要求1所述的用于静止图像的基于混沌密钥加密方法，其特征在于，S盒变换σ_r及其逆过程被定义如下：

u和v是两个字节。

6.如权利要求1所述的用于静止图像的基于混沌密钥加密方法，其特征在于，P盒为明文图像增加扩散性；对于一个字节来说，8阶序列组记做S₈；用π_i表示一个特定的序列，其中i∈(0,8！)，i是按照序贯式笛卡尔坐标的顺序归类的完全对称序列组S₈的索引号：

π∈S₈，其标准形式记为：

字节B记为B＝[b₁,b₂,b₃,b₄,b₅,b₆,b₇,b₈]，这里b_i是这个字节的第i个MSB位；B的正向序列是π(B)＝[b₄,b₆,b₇,b₁,b₃,b₈,b₂,b₅]，B的反向序列是π^-1(B)＝[b₁,b₂,b₃,b₄,b₅,b₆,b₇,b₈]。