CN108241804A - 一种基于异或运算的电子档案加密方法 - Google Patents

一种基于异或运算的电子档案加密方法 Download PDF

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Abstract

本发明名称为一种基于异或运算的电子档案加密方法。所属技术领域为计算机图像学、计算机图像、信息安全等技术领域。本发明实现了对电子档案的加密、解密处理。在具体的处理过程中，将电子文档转换为图像，对转换后的图像进行处理以完成加密、解密功能。通过构造混沌系统，采用混沌系统生成混沌图像与原始档案所形成的图像进行异或实现加密、解密运算。需要加密时，将需要加密的电子档案与一个混沌图像进行按位异或运算操作从而实现加密；解密电子档案时使用加密后的电子档案与加密时所采用的混沌图像再次进行按位异或运算来完成解密。

Description

一种基于异或运算的电子档案加密方法
技术领域
本发明专利属于计算机图像学、计算机图像、信息安全等技术领域。
背景技术
混沌具有对于初始值敏感的特性，对于初始值的稍微不同就会导致结果的完全不同。在实践中，经常使用混沌系统构造加密序列用来实现加密功能。
被广为应用的混沌系统是Logistic混沌系统，它的改进形式为：
该系统对初始值极为敏感，初始值稍微不同，就会出现完全不同的结果。根据混沌系统的特性，可以生成一个伪随机序列，将该序列对图像进行处理即可完成对数字图像的加密功能。
例如，设定一个混沌系统的初始值为0.98，则可以得到一个一维混沌序列，该混沌数列a的前28个值为：
a[0] a[1] a[2] a[3] a[4] a[5] a[6]
0.98 -0.9208 -0.69575 0.031877 0.997968 -0.99188 -0.96765
a[7] a[8] a[9] a[10] a[11] a[12] a[13]
-0.87269 -0.52316 0.452599 0.590308 0.303073 0.816293 -0.33267
a[14] a[15] a[16] a[17] a[18] a[19] a[20]
0.778662 -0.21263 0.909579 -0.65467 0.142822 0.959204 -0.84014
a[21] a[22] a[23] a[24] a[25] a[26] a[27]
-0.41168 0.661036 0.126062 0.968217 -0.87489 -0.53086 0.43638
按照混沌序列的公式，该序列可以一直迭代下去，产生任意多个数值。
将得到的一维混沌序列进行转置，即可得到二维矩阵，例如：上述序列内共有28个元素，可以将其转换为4行7列即4*7的矩阵形式，为了处理上的方便，将上述矩阵标记为OI，如下所示。
0.98 -0.9208 -0.69575 0.031877 0.997968 -0.99188 -0.96765
-0.87269 -0.52316 0.452599 0.590308 0.303073 0.816293 -0.33267
0.778662 -0.21263 0.909579 -0.65467 0.142822 0.959204 -0.84014
-0.41168 0.661036 0.126062 0.968217 -0.87489 -0.53086 0.43638
对上述矩阵进行处理，即可生成黑白图像、二值图像、灰度图像、彩色图像等不同类型的图像。这里为了表述上的方便，对黑白图像和二值图像进行了区分说明，黑白图像和二值图像都指具有黑白两种颜色的二值图像。这里所提到的黑白图像特指8位深度的图像中，只有0和255两个灰度级，即只有这两个值的图像。这里提到的二值图像特指每个像素仅仅占一个像素位，即每个像素的像素值仅仅可能为0和1两个值的图像。
混沌序列具有对初始值敏感的特性，稍微改变初始值，所得到的数列将会完全不同。例如将初始值由0.98变为0.98001，则会得到完全不同的序列，如下所示。
a[0] a[1] a[2] a[3] a[4] a[5] a[6]
0.98001 -0.92084 -0.69589 0.031475 0.998019 -0.99208 -0.96845
a[7] a[8] a[9] a[10] a[11] a[12] a[13]
-0.87581 -0.53409 0.429506 0.631049 0.203555 0.917131 -0.68226
a[14] a[15] a[16] a[17] a[18] a[19] a[20]
0.069046 0.990465 -0.96204 -0.85105 -0.44858 0.597547 0.285876
a[21] a[22] a[23] a[24] a[25] a[26] a[27]
0.83655 -0.39963 0.680591 0.073592 0.989169 -0.95691 -0.83135
从上述表格可以看到，初始值稍微改变后，得到的序列初始部分的值与改变初始值前的序列还具有一定的相似性，但是后面数值的差别会越来越大，最后变得完全不相似(没有相关性)。在实际使用中，往往截取混沌序列中间的某段序列使用，例如截取其从第200个数值开始的一段序列使用。本书中为了处理上的方便，直接从序列的起始位置开始使用。
根据需要，可以将混沌序列生成四种不同类型的图像，主要为：
1生成黑白图像
生成黑白图像时，将混沌序列内的值进行处理的公式为：
式中，ROI是对OI进行处理后得到的黑白图像，ROIij为对原始混沌矩阵OI中位置为(i,j)的像素点处理后得到的黑白图像ROI内像素点位置为(i,j)的像素值。黑白图像ROI中像素点的值只有0和255两个可能值。
根据上述公式，从矩阵OI得到的黑白图像ROI。
255 0 0 255 255 0 0
0 0 255 255 255 255 0
255 0 255 0 255 255 0
0 255 255 255 0 0 255
2生成二值图像
生成二值图像时，将混沌序列内的值进行处理的公式为：
式中，BOI是对OI进行处理后得到的二值图像，BOIij为对原始混沌矩阵OI中位置为(i,j)的像素点处理后得到的二值图像BOI内像素点位置为(i,j)的像素值。二值图像BOI中像素点的像素值只有0和1两个可能值。
根据上述公式，从矩阵OI得到的二值图像BOI。
1 0 0 1 1 0 0
0 0 1 1 1 1 0
1 0 1 0 1 1 0
0 1 1 1 0 0 1
3生成灰度图像
生成灰度图像时，将混沌序列内的值进行处理的公式为：
GOIi，j＝mod(OIi，j*1000000，256)
式中，GOI是对OI进行处理后得到的灰度图像，GOIij为对原始混沌矩阵OI中位置为(i,j)的像素点处理后得到的灰度图像GOI内像素点位置为(i,j)的像素值。式中，mod(a,b)是取模函数，返回a除以b的余数。灰度图像GOI中像素点的值区间为[0,255]。
根据上述公式，从矩阵OI得到的灰度图像GOI。
32 32 63 133 80 121 32
17 100 247 228 225 165 130
166 108 11 181 230 228 49
222 44 110 25 120 86 156
4生成彩色图像
生成彩色图像时，首先分别生成R、G、B三个色彩空间，然后将该三个色彩空间组合成彩色图像。R色彩空间生成的方式为：
RCOIi，j＝mod(OIRi，j*1000000，256)
式中，OIR是生成的混沌序列，该序列用来产生R色彩空间的图像RCOI。式中(i,j)是位置信息。G色彩空间生成的方式为：
GCOIi，j＝mod(OIGi，j*1000000，256)
式中，OIG是生成的混沌序列，该序列用来产生G色彩空间的图像GCOI。式中(i,j)是位置信息。B色彩空间生成的方式为：
BCOIi，j＝mod(OIBi，j*1000000，256)
式中，OIB是生成的混沌序列，该序列用来产生B色彩空间的图像BCOI。式中(i,j)是位置信息。
发明内容
本发明专利实现了对电子档案的加密、解密处理。在具体的处理过程中，将电子文档转换为图像，对转换后的图像进行处理以完成加密、解密功能。通过构造混沌系统，采用混沌系统生成混沌图像与原始档案所形成的图像进行异或实现加密、解密运算。
需要加密时，将需要加密的电子档案与一个混沌图像进行按位异或运算操作从而实现加密；解密电子档案时使用加密后的电子档案与加密时所采用的混沌图像再次进行按位异或运算来完成解密。
附图说明
附图1是加密过程。
附图2是解密过程。
具体实施方式
异或加密通过对原始图像与密钥图像进行按位异或的方式实现加密，将加密后图像与密钥图像再次进行按位异或的方式实现解密。
异或，其英文含义为“exclusive OR”，因此，其函数通常表示为xor(a,b)。其中，xor(·)表示进行异或运算，a和b是参与运算的算子。异或的规则如表所示。
算子1 算子2 结果 规则
0 0 0 xor(0,0)＝0
0 1 1 xor(0,1)＝1
1 0 1 xor(1,0)＝1
1 1 0 xor(1,1)＝0
根据上述异或运算的规则，假设：
xor(a,b)＝c
则可以得到：
xor(a,c)＝b
xor(b,c)＝a
将上述运算可以表示为。
从上述结果可以看出，如需要对明文a进行加密，则可以利用b作为密钥来完成，得到加密后的密文c。当需要解密时，将密文c与密钥b再次进行异或，即可得到明文a。
位运算是指进行二进制位的运算，利用位运算即可实现对像素点的加密。在图像处理中需要处理的像素点的值通常为灰度值，其范围通常为[0,255]。例如某个像素点的值为216(明文)，则可以使用178作为密钥(该数值178，由加密者自由选定)对其进行加密，将这两个值进行二进制的按位异或运算即完成了加密，得到了一个密文106。当需要解密时，将密文106与密钥178进行按位异或运算，即可得到原始像素点值216(明文)。具体过程为：
bit_xor(216,178)＝106
bit_xor(106,178)＝216
以二进制形式表示的具体细节为：
●加密过程：
●解密过程
对图像内的每一个像素点，重复上述操作，即完成对图像的加密、解密操作。这里以一个原始图像O为示例具体说明图像的加密、解密过程。
在进行处理前，需要先将电子文档处理为图像以方便加密和解密处理。具体的加密和解密实施过程介绍如下。
1加密过程
假设有需要加密的原始图像O，其中的像素值为：
202 120 30 156
249 25 23 190
238 1 198 150
6 21 65 24
选定的加密密钥图像K为：
15 212 223 71
183 6 30 235
218 18 157 172
4 178 95 154
图像O所对应的二进制图像OB为：
11001010 01111000 00011110 10011100
11111001 00011001 00010111 10111110
11101110 00000001 11000110 10010110
00000110 00010101 01000001 00011000
密钥图像K所对应的二进制图像KB为：
00001111 11010100 11011111 01000111
10110111 00000110 00011110 11101011
11011010 00010010 10011101 10101100
00000100 10110010 01011111 10011010
将图像OB与图像KB进行二进制的按位异或运算，即得到图像O的加密图像OSB为：
11000101 10101100 11000001 11011011
01001110 00011111 00001001 01010101
00110100 00010011 01011011 00111010
00000010 10100111 00011110 10000010
将OSB转换为十进制形式OS，为：
197 172 193 219
78 31 9 85
52 19 91 58
2 167 30 130
至此，图像O的加密过程完成，得到原始图像O的加密图像OS。
2解密过程
解密过程需要将加密图像OS与密钥图像K进行按位异或运算，得到源图像OR。将加密图像OS的二进制图像OSB与密钥图像K的二进制图像KB进行按位异或运算，即得到原始图像OR的二进制形式ORB。
11001010 01111000 00011110 10011100
11111001 00011001 00010111 10111110
11101110 00000001 11000110 10010110
00000110 00010101 01000001 00011000
将二进制ORB转换为十进制形式，得到解密图像OR，为：
202 120 30 156
249 25 23 190
238 1 198 150
6 21 65 24
至此，图像的解密过程结束，得到加密图像OS的解密图像OR。
从上述过程可以看到，解密过程所得到的解密图像OR与原始图像O是一致的。这说明上述加密、解密过程是正确的。

Claims (1)

1.一种基于异或运算的电子档案加密方法，其特征是：在具体的处理过程中，将电子文档转换为图像，对转换后的图像进行处理以完成加密、解密功能，通过构造混沌系统，采用混沌系统生成混沌图像与原始档案所形成的图像进行异或实现加密、解密运算，需要加密时，将需要加密的电子档案与一个混沌图像进行按位异或运算操作从而实现加密；解密电子档案时使用加密后的电子档案与加密时所采用的混沌图像再次进行按位异或运算来完成解密，步骤包含加密和解密过程，主要有：
1加密过程
假设有需要加密的原始图像O，其中的像素值为：
202 120 30 156 249 25 23 190 238 1 198 150 6 21 65 24
选定的加密密钥图像K为：
15 212 223 71 183 6 30 235 218 18 157 172 4 178 95 154
图像O所对应的二进制图像OB为：
11001010 01111000 00011110 10011100 11111001 00011001 00010111 10111110 11101110 00000001 11000110 10010110 00000110 00010101 01000001 00011000
密钥图像K所对应的二进制图像KB为：
00001111 11010100 11011111 01000111 10110111 00000110 00011110 11101011 11011010 00010010 10011101 10101100 00000100 10110010 01011111 10011010
将图像OB与图像KB进行二进制的按位异或运算，即得到图像O的加密图像OSB为：
11000101 10101100 11000001 11011011 01001110 00011111 00001001 01010101 00110100 00010011 01011011 00111010 00000010 10100111 00011110 10000010
将OSB转换为十进制形式OS，为：
197 172 193 219 78 31 9 85 52 19 91 58 2 167 30 130
至此，图像O的加密过程完成，得到原始图像O的加密图像OS。
2解密过程
解密过程需要将加密图像OS与密钥图像K进行按位异或运算，得到源图像OR。将加密图像OS的二进制图像OSB与密钥图像K的二进制图像KB进行按位异或运算，即得到原始图像OR的二进制形式ORB。
11001010 01111000 00011110 10011100 11111001 00011001 00010111 10111110 11101110 00000001 11000110 10010110 00000110 00010101 01000001 00011000
将二进制ORB转换为十进制形式，得到解密图像OR，为：
至此，图像的解密过程结束，得到加密图像OS的解密图像OR。
从上述过程可以看到，解密过程所得到的解密图像OR与原始图像O是一致的。这说明上述加密、解密过程是正确的。
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