CN109510917A - 一种图像加密的方法、装置、设备以及存储介质 - Google Patents

一种图像加密的方法、装置、设备以及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种图像加密的方法、装置、设备以及计算机可读存储介质，包括：将待加密的原始图像转换为M×N的二维数组H后，输入至已设置初始密钥和初始参数的预选混沌系统中；对所述原始图像进行L级的小波分解，得到多个不同小波子带系数中的低频子带系数和高频子带系数；利用所述预选混沌系统对所述低频子带系数进行置乱；将置乱后的低频子带系数和所述高频子带系数进行L层小波逆变换，得到大小为M×N的重构图像；对所述重构图像进行图像扩散，得到所述原始图像的目标加密图像。本发明所提供的方法、装置、设备以及计算机可读存储介质，可在利用高维混沌系统对图像加密时，提高加密效率。

Description

一种图像加密的方法、装置、设备以及存储介质
技术领域
本发明涉及加密技术领域，特别是涉及一种图像加密的方法、装置、设备以及计算机可读存储介质。
背景技术
随着数字多媒体应用的快速发展和多媒体图像使用率的提高，数字信息传播的安全性十分重要，因为数字图像的传输在许多应用中是必需的，例如因特网通信、多媒体系统、医疗成像，远程医疗，军事通信，大规模石油化工等行业。
在过去几十年中，混沌系统因其具有伪随机性和对初始值的高度敏感性符合加密系统的特性，被越来越多地应用于保密通信和图像加密等系统中，但是随着计算机计算能力的提高，只使用低维的混沌模型的加密方案，很容易被破解。于是很多学者使用二维或更高维的混沌系统来对图像进行加密。但在对高分辨率的图像进行加密时，由于包含大量的浮点运算导致算法效率较低。
综上所述可以看出，如何在对高分辨率的图像进行加密时，提高图像加密效率是目前有待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种图像加密的方法、装置、设备以及计算机可读存储介质，以解决现有技术中在利用高维混沌系统对图像进行加密时，包含大量浮点导致算法效率较低的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种图像加密的方法，包括：将待加密的原始图像转换为M×N的二维数组H后，输入至已设置初始密钥和初始参数的预选混沌系统中；对所述原始图像进行L级的小波分解，得到多个不同小波子带系数中的低频子带系数和高频子带系数；利用所述预选混沌系统对所述低频子带系数进行置乱；将置乱后的低频子带系数和所述高频子带系数进行L层小波逆变换，得到大小为M×N的重构图像；对所述重构图像进行图像扩散，得到所述原始图像的目标加密图像。
优选地，所述将待加密的原始图像转换为M×N的二维数组H后，输入至已设置初始密钥和初始参数的预选混沌系统中包括：
将三维Logistic混沌系统的初始密钥x0,y0,z0以及初始参数α,β,γ输入至所述三维Logistic混沌系统；
将待加密的原始图像转换为M×N的二维数组H后，输入至所述三维Logistic混沌系统。
优选地，所述将三维Logistic混沌系统的初始密钥x0,y0,z0以及初始参数α,β,γ输入至所述三维Logistic混沌系统包括：
利用MD5为所述原始图像生成一个唯一的32位的16进制的哈希值，得到所述原始图像的MD5值；
根据所述原始图层的MD5值进行初始密钥的迭代计算，生成所述三维Logistic混沌系统的中间密钥，并将所述中间密钥输入至所述三维Logistic混沌系统。
优选地，所述对所述原始图像进行L级的小波分解，得到多个不同小波子带系数中的低频子带系数和高频子带系数包括：
对所述原始图层进行L级小波分解，得到3L+1个不同小波子带的系数矩阵ML×ML，从而得到不同小波子带的系数矩阵的低频子带系数和高频子带系数。
优选地，所述对所述重构图像进行图像扩散，得到所述原始图像的目标加密图像包括：利用改进后的重力模型
对所述重构图像进行图像扩散，从而得到所述原始图像的目标加密图像；
其中，G为重力系数，x,y,z为粒子P的坐标，m(x,y,z)为粒子P的质量，mij(i,j)为所述原始图像中像素点(i,j)位置的质量；z≠0；m(x,y,z)和mij(i,j)均大于0；m(x,y,z)＝|x3-2y2+3z3|；mij(i,j)＝18i2+j3+5。
本发明还提供了一种图像加密的装置，包括：
输入模块，用于将待加密的原始图像转换为M×N的二维数组H后，输入至已设置初始密钥和初始参数的预选混沌系统中；
分解模块，用于对所述原始图像进行L级的小波分解，得到多个不同小波子带系数中的低频子带系数和高频子带系数；
置乱模块，用于利用所述预选混沌系统对所述低频子带系数进行置乱；
逆变换模块，用于将置乱后的低频子带系数和所述高频子带系数进行L层小波逆变换，得到大小为M×N的重构图像；
扩散模块，用于对所述重构图像进行图像扩散，得到所述原始图像的目标加密图像。
优选地，所述输入模块具体用于：
将三维Logistic混沌系统的初始密钥x0,y0,z0以及初始参数α,β,γ输入至所述三维Logistic混沌系统；
将待加密的原始图像转换为M×N的二维数组H后，输入至所述三维Logistic混沌系统。
优选地，所述置乱模块具体用于：
对所述原始图层进行L级小波分解，得到3L+1个不同小波子带的系数矩阵ML×ML，从而得到不同小波子带的系数矩阵的低频子带系数和高频子带系数。
本发明还提供了一种图像加密的设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现上述一种图像加密的方法的步骤。
存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行所述计算机程序时实现上述一种图像加密的方法的步骤。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述一种图像加密的方法的步骤。
本发明所提供的图像加密的方法，使用小波变换对所述原始图像进行分解，得到多个不同的小波子带系数。利用预选的混沌系数对所述小波子带系数中的低频子带系数进置乱。对置乱后的低频子带系数和所述高频子带系数进行L层小波逆变换，得到与所述原始图像大小相同的重构图像。对所述重构图像进行扩散得到所述原始图像的目标加密图像。由于所述原始图像的大部分信息都集中于低频部分；因此本发明仅仅利用预设的混沌系统对所述多个不同小波子系数中的低频子带系数进行加密，便可以达到对所述原始图像的加密效果，而且提高了算法效率。相对应的，本发明所提供的图像加密的装置、设备以及计算机可读存储介质均具有上述有益效果。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的图像加密的方法的第一种具体实施例的流程图；
图2为本发明所提供的图像加密的方法的第二种具体实施例的流程图；
图3为本发明实施例所提供的一种图像加密的装置的结构框图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种图像加密的方法、装置、设备以及计算机可读存储介质，提高了图像加密的效率。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，图1为本发明所提供的图像加密的方法的第一种具体实施例的流程图；具体操作步骤如下：
步骤S101：将待加密的原始图像转换为M×N的二维数组H后，输入至已设置初始密钥和初始参数的预选混沌系统中；
本实施例所提供的图像加密的方法所采用的测试平台为Intel(R)Core(TM)i5CPU，主频2.67GHz，内存为8.0GB，操作系统为Win7。
在本实施例中所述预选混沌系统可以为二维Logistic混沌系统、三维Logistic混沌系统等。
步骤S102：对所述原始图像进行L级的小波分解，得到多个不同小波子带系数中的低频子带系数和高频子带系数；
步骤S103：利用所述预选混沌系统对所述低频子带系数进行置乱；
对所低频子带系数进行置乱是为了将所述原始图像的低频部分图像进行打乱，
步骤S104：将置乱后的低频子带系数和所述高频子带系数进行L层小波逆变换，得到大小为M×N的重构图像；
步骤S105：对所述重构图像进行图像扩散，得到所述原始图像的目标加密图像。
在本实施例中，对所述原始图层进行小波分解。利用预选混沌系统对小波分解得到的不同小波子带系数中的低频子带系数进行置乱。对所述置乱后的低频子带系数和所述小波子带系数中的高频子带系数进行L层小波逆变换，得到大小为M×N的重构图像；对所述重构图像进行图像扩散，得到所述原始图像的目标加密图像。
为了验证本实施例所提供的图像加密的方法可以在高维混沌系统加密时提高效率的有效性；可选取三个国际公开的SR数据库：Set5、Set14和Urban100；并利用仿真软件MATLAB R2016a对本实施例所提供的图像加密的方法进行验证。
基于上述实施例，在本实施例中，为提高加密算法的安全性，采用三维Logistic混沌系统对原始图像进行加密。且为了提高所述三维Logistic混沌系统的加密效率，本实施例提出了一种基于三维Logistic混沌系统和小波变换的图像加密方法。图2为本发明所提供的图像加密的方法的第二种具体实施例的流程图；具体操作步骤如下：
步骤S201：将三维Logistic混沌系统的初始密钥x0,y0,z0以及初始参数α，β，γ输入至所述三维Logistic混沌系统；
步骤S202：将待加密的原始图像转换为M×N的二维数组H后，输入至所述三维Logistic混沌系统；
步骤S203：利用MD5为所述原始图像生成一个唯一的32位的16进制的哈希值，得到所述原始图像的MD5值；
本实施例选择用MD5为所述原始图像产生一个唯一的32位的16进制的哈希值，并将其转换为10进制的数K，再将其转换为以8位为一组的2进制数l1,l2...l16。
MD5具有抗修改性，哪怕对所述原始图像修改一个像素值，所得到的MD5值都将完全不同，增加了算法对明文的敏感性。
步骤S204：根据所述原始图层的MD5值进行初始密钥的迭代计算，生成所述三维Logistic混沌系统的中间密钥，并将所述中间密钥输入至所述三维Logistic混沌系统；
所述三维Logistic混沌系统的初始密钥x0,y0,z0为：
根据所述原始图层的MD5值进行初始密钥的迭代计算的迭代次数为：n＝500+mod(K,3000)。
改进的三维logistic混沌模型，其描述如下：
当3.53＜γ＜3.81,0＜β＜0.022,0＜α＜0.015，x0,y0,z0∈(0,1)时，该混沌系统处于混沌状态。三维Logistic混沌映射具有三个参数，立方结构，相较一维Logistic混沌映射更加复杂安全。
步骤S205：对所述原始图层进行L级小波分解，得到3L+1个不同小波子带的系数矩阵ML×ML，从而得到不同小波子带的系数矩阵的低频子带系数和高频子带系数；
输入所述三维Logistic混沌系统的初始值x0,y0,z0及参数α,β,γ，迭代所述三维Logistic混沌映射n次以消除暂态效应带来的不良影响,再继续迭代ML×ML次，产生三个长度ML×ML为的混沌序列
步骤S206：利用所述预选混沌系统对所述低频子带系数进行置乱；
步骤S207：将置乱后的低频子带系数和所述高频子带系数进行L层小波逆变换，得到大小为M×N的重构图像；根据
将R,U,W转化为一个值在(0,mL*nL)的序列T。
其中，max(x)＝max{x(k)|k＝1,2...,mL*nL}，min(x)＝min{x(k)|k＝1,2...,mL*nL}。再对混沌序列T进行从小到大的排序，得到序列T'，根据混沌序列T'对低频自带系数Q进行排序得到序列Q'，对其余的高频自带系数进行类似的置乱操作以提升加密效果。
步骤S208：利用改进后的重力模型对所述重构图像进行图像扩散，从而得到所述原始图像的目标加密图像。
将所述原始图像中每个像素点都当成一个粒子，且每个粒子的质量不为0，在空间中随机选择一个粒子P，则在粒子P和每个像素点间存在着重力，因此我们可以运用重力模型进行像素扩散。改进的重力模型的公式为：
其中，G为重力系数，x,y,z为粒子P的坐标，m(x,y,z)为粒子P的质量，mij(i,j)为所述原始图像中像素点(i,j)位置的质量；z≠0；m(x,y,z)和mij(i,j)均大于0；m(x,y,z)＝|x3-2y2+3z3|；mij(i,j)＝18i2+j3+5。
将所述重力系数G、粒子的坐标x,y,z、mij(i,j)和m(x,y,z)代入至所述改进的重力公式模型中，得到序列B。利用对所述B和H'进行像素值扩散操作，从而得到所述目标加密图像E。
在本实施例中，利用小波变换对明文图像进行L级小波分解，利用三维Logistic混沌系统生成混沌序列对低频自带系数进行图像置乱，为了提高加密效果也可以对其余高频自带系数进行类似操作，将置乱后的低频自带系数和其余高频自带系数进行小波逆变换，得到重构图像。对所述重构图像进行图像扩散是为了将所述重构图像灰度值分布均匀，从而隐藏所述真实图像的信息。根据所述三维Logistic混沌系统的初始密钥对改进的重力模型进行迭代，用得到的混沌序列对重构图像进行扩散操作得到所述目标加密图像。
本实施例所提供的基于三维Logistic混沌系统和小波变换的图像加密的方法，利用MD5生成所述三维Logistic混沌系统的初始值及改进的重力模型的重力系数；使算法与原始图像密切相关，增加了算法的明文敏感性。再对图像进行小波变换，用所述三维Logistic混沌系统分别仅对低频系数进行置乱，提高算法效率，再进行小波逆变换，最后用改进的重力模型进行像素值扩散，使密文分布均匀，得到良好的加密效果。
请参考图3，图3为本发明实施例所提供的一种图像加密的装置的结构框图；具体装置可以包括：
输入模块100，用于将待加密的原始图像转换为M×N的二维数组H后，输入至已设置初始密钥和初始参数的预选混沌系统中；
分解模块200，用于对所述原始图像进行L级的小波分解，得到多个不同小波子带系数中的低频子带系数和高频子带系数；
置乱模块300，用于利用所述预选混沌系统对所述低频子带系数进行置乱；
逆变换模块400，用于将置乱后的低频子带系数和所述高频子带系数进行L层小波逆变换，得到大小为M×N的重构图像；
扩散模块500，用于对所述重构图像进行图像扩散，得到所述原始图像的目标加密图像。
本实施例的图像加密的装置用于实现前述的图像加密的方法，因此图像加密的装置中的具体实施方式可见前文中的图像加密的方法的实施例部分，例如，输入模块100，分解模块200，置乱模块300，逆变换模块400，扩散模块500；分别用于实现上述图像加密的方法中步骤S101，S102，S103，S104和S105，所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再赘述。
本发明具体实施例还提供了一种图像加密的设备，包括：存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行所述计算机程序时实现上述一种图像加密的方法的步骤。
本发明具体实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述一种图像加密的方法的步骤。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上对本发明所提供的图像加密的方法、装置、设备以及计算机可读存储介质进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种图像加密的方法，其特征在于，包括：
将待加密的原始图像转换为M×N的二维数组H后，输入至已设置初始密钥和初始参数的预选混沌系统中；
对所述原始图像进行L级的小波分解，得到多个不同小波子带系数中的低频子带系数和高频子带系数；
利用所述预选混沌系统对所述低频子带系数进行置乱；
将置乱后的低频子带系数和所述高频子带系数进行L层小波逆变换，得到大小为M×N的重构图像；
对所述重构图像进行图像扩散，得到所述原始图像的目标加密图像。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将待加密的原始图像转换为M×N的二维数组H后，输入至已设置初始密钥和初始参数的预选混沌系统中包括：
将三维Logistic混沌系统的初始密钥x0,y0,z0以及初始参数α,β,γ输入至所述三维Logistic混沌系统；
将待加密的原始图像转换为M×N的二维数组H后，输入至所述三维Logistic混沌系统。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将三维Logistic混沌系统的初始密钥x0,y0,z0以及初始参数α,β,γ输入至所述三维Logistic混沌系统包括：
利用MD5为所述原始图像生成一个唯一的32位的16进制的哈希值，得到所述原始图像的MD5值；
根据所述原始图层的MD5值进行初始密钥的迭代计算，生成所述三维Logistic混沌系统的中间密钥，并将所述中间密钥输入至所述三维Logistic混沌系统。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述原始图像进行L级的小波分解，得到多个不同小波子带系数中的低频子带系数和高频子带系数包括：
对所述原始图层进行L级小波分解，得到3L+1个不同小波子带的系数矩阵ML×ML，从而得到不同小波子带的系数矩阵的低频子带系数和高频子带系数。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述重构图像进行图像扩散，得到所述原始图像的目标加密图像包括：利用改进后的重力模型
对所述重构图像进行图像扩散，从而得到所述原始图像的目标加密图像；
其中，G为重力系数，x,y,z为粒子P的坐标，m(x,y,z)为粒子P的质量，mij(i,j)为所述原始图像中像素点(i,j)位置的质量；z≠0；m(x,y,z)和mij(i,j)均大于0；m(x,y,z)＝|x3-2y2+3z3|；mij(i,j)＝18i2+j3+5。
6.一种图像加密的装置，其特征在于，包括：
输入模块，用于将待加密的原始图像转换为M×N的二维数组H后，输入至已设置初始密钥和初始参数的预选混沌系统中；
分解模块，用于对所述原始图像进行L级的小波分解，得到多个不同小波子带系数中的低频子带系数和高频子带系数；
置乱模块，用于利用所述预选混沌系统对所述低频子带系数进行置乱；
逆变换模块，用于将置乱后的低频子带系数和所述高频子带系数进行L层小波逆变换，得到大小为M×N的重构图像；
扩散模块，用于对所述重构图像进行图像扩散，得到所述原始图像的目标加密图像。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述输入模块具体用于：
将三维Logistic混沌系统的初始密钥x0,y0,z0以及初始参数α,β,γ输入至所述三维Logistic混沌系统；
将待加密的原始图像转换为M×N的二维数组H后，输入至所述三维Logistic混沌系统。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述置乱模块具体用于：
对所述原始图层进行L级小波分解，得到3L+1个不同小波子带的系数矩阵ML×ML，从而得到不同小波子带的系数矩阵的低频子带系数和高频子带系数。
9.一种图像加密的设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至5任一项所述一种图像加密的方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述一种图像加密的方法的步骤。
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