CN109559269A - 一种图像加密的方法及终端 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种图像加密的方法及终端，通过获取待加密图像，并生成迭代初始值、伪随机数和真随机数，根据所述迭代初始值、伪随机数和真随机数对所述图像进行预设的置乱处理，得到加密后的图像，利用真随机数和伪随机数相结合，从而有效的去除图像间的相关性，使得加密后的图像随机性更高，通过预设的置乱处理使得加密后的图像能抵御明文攻击，安全性更高。

Description

一种图像加密的方法及终端
技术领域
本发明涉及计算机技术领域，特别涉及一种图像加密的方法及终端。
背景技术
随着科技的发展和技术的进步，信息的安全性也越来越受到人们的关注。图像作为网络中一种常见的形式，对其安全性的研究就非常必要了。
近年来，虽然有学者提出了很多关于图像加密的算法。如香农在密码学中提出的置乱和扩散过程被应用到图像加密中；Chen等人提出了一个实时的图像加密系统，该系统的置乱和扩散运算是通过查找表来实现的，Sun提出了一种高效的图像加密算法，该算法把像素层置乱、比特层置乱与DNA技术相结合，能够有效提高加密系统的安全性，以及以下两种图像加密方法：
方法一，H.Liu,X.Wang在Color image encryption using spatial bit-levelpermutation and high-dimension chaotic system中，提出了基于比特层置乱和Chen混沌系统的彩色图像加密算法。首先把彩色图像变成灰度图像，然后把灰度图像变成二进制矩阵，并用分段线性混沌映射产生的随机序列在比特层置乱图像。
方法二，Luo,R.Zhou,J.Liu,Y.Cao,X.Ding在A parallel image encryptionalgorithm based on the piecewise linear chaotic map and hyper-chaotic map中，提出了基于分段线性映射和四维超混沌映射的图像加密算法。根据明文图像和初始密钥，通过并行的量化算法，得到两个十进制值。这两个值作为分段线性映射的初始值和控制参数。用分段线性映射和四维超混沌产生4个混沌序列来控制系统置乱和扩散过程。
但是由于图像具有像素间存在相关性、冗余性和数据量大的特点，而上述图像加密算法均无法较好的去除图像间的相关性、随机性较差，而且无法有效的抵御明文攻击。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种图像加密的方法及终端，能够有效的去除图像间的相关性、随机性高且能抵御明文攻击。
为了解决上述技术问题，本发明采用的一种技术方案为：
一种图像加密的方法，包括步骤：
S1、获取待加密图像，并生成迭代初始值、伪随机数和真随机数；
S2、根据所述迭代初始值、伪随机数和真随机数对所述图像进行预设的置乱处理，得到加密后的图像。
为了解决上述技术问题，本发明采用的另一种技术方案为：
一种图像加密的终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：
S1、获取待加密图像，并生成迭代初始值、伪随机数和真随机数；
S2、根据所述迭代初始值、伪随机数和真随机数对所述图像进行预设的置乱处理，得到加密后的图像。
本发明的有益效果在于：通过获取待加密图像，并生成迭代初始值、伪随机数和真随机数，根据所述迭代初始值、伪随机数和真随机数对所述图像进行预设的置乱处理，得到加密后的图像，利用真随机数和伪随机数相结合，从而有效的去除图像间的相关性，使得加密后的图像随机性更高，通过预设的置乱处理使得加密后的图像能抵御明文攻击，安全性更高。
附图说明
图1为本发明实施例图像加密的方法流程图；
图2为本发明实施例图像加密的终端的结构示意图；
图3为本发明实施例明文图像及不同方法加密后的图像；
图4为本发明实施例明文图像、不正确解密图像和相应的直方图；
图5为本发明实施例明文图像直方图和加密图像直方图；
图6为本发明实施例不同剪切攻击后的图像；
图7为本发明实施例不同剪切攻击后解密图像；
图8为本发明实施例不同椒盐噪声攻击后解密图像；
图9为本发明实施例不同高斯噪声攻击后解密图像；
标号说明：
1、图像加密的终端；
2、存储器；
3、处理器。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
本发明最关键的构思在于:通过利用真随机数和伪随机数相结合，从而有效的去除图像间的相关性，使得加密后的图像随机性更高，通过预设的置乱处理使得加密后的图像能抵御明文攻击，安全性更高。
请参照图1，一种图像加密的方法，包括步骤：
S1、获取待加密图像，并生成迭代初始值、伪随机数和真随机数；
S2、根据所述迭代初始值、伪随机数和真随机数对所述图像进行预设的置乱处理，得到加密后的图像。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：通过获取待加密图像，并生成迭代初始值、伪随机数和真随机数，根据所述迭代初始值、伪随机数和真随机数对所述图像进行预设的置乱处理，得到加密后的图像，利用真随机数和伪随机数相结合，从而有效的去除图像间的相关性，使得加密后的图像随机性更高，通过预设的置乱处理使得加密后的图像能抵御明文攻击，安全性更高。
进一步的，步骤S1中所述的生成迭代初始值具体为：
S11、获取待加密图像和预设的初始秘钥；
S12、根据所述待加密图像和所述初始秘钥生成迭代初始值。
由上述描述可知：通过获取待加密图像和预设的初始秘钥，根据所述待加密图像和所述初始秘钥生成迭代初始值，使得生成的迭代初始值安全性更高。
进一步的，步骤S1中所述的生成伪随机数和真随机数具体为：
通过二维Logistic映射生成伪随机数，并根据所述伪随机数和预设的规则生成真随机数。
由上述描述可知：通过二维Logistic映射生成伪随机数，并根据所述伪随机数和预设的规则生成真随机数，生成速度快，保证了后续加密后的图像的灰度值更加均匀。
进一步的，所述的根据所述伪随机数和预设的规则生成真随机数具体为：
将所述伪随机数转换为二进制形式，并对二进制形式的伪随机数进行划分得到第一比特流和第二比特流；
根据所述第一比特流和第二比特流分别进行异或运算生成第一真随机数和第二真随机数。
由上述描述可知：通过将所述伪随机数转换为二进制形式，并对二进制形式的伪随机数进行划分得到第一比特流和第二比特流；根据所述第一比特流和第二比特流分别进行异或运算生成第一真随机数和第二真随机数，通过异或运算使得增强生成第一真随机数和第二真随机数的复杂度和安全性。
进一步的，步骤S2中所述预设的置乱处理具体为：
分别根据所述第一真随机数和第二真随机数进行求余运算，得到第三真随机数和第四真随机数；
根据所述第三真随机数和第四真随机数依次对所述图像中各个像素点进行预设的异或运算、平移运算和扩散处理。
由上述描述可知：通过分别根据所述第一真随机数和第二真随机数进行求余运算，得到第三真随机数和第四真随机数，根据所述第三真随机数和第四真随机数依次对所述图像中各个像素点进行预设的异或运算、平移运算和扩散处理，保证了加密后的图像具备更强的复杂度和抵御明文攻击的能力。
请参照图2，一种图像加密的终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：
S1、获取待加密图像，并生成迭代初始值、伪随机数和真随机数；
S2、根据所述迭代初始值、伪随机数和真随机数对所述图像进行预设的置乱处理，得到加密后的图像。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：通过获取待加密图像，并生成迭代初始值、伪随机数和真随机数，根据所述迭代初始值、伪随机数和真随机数对所述图像进行预设的置乱处理，得到加密后的图像，利用真随机数和伪随机数相结合，从而有效的去除图像间的相关性，使得加密后的图像随机性更高，通过预设的置乱处理使得加密后的图像能抵御明文攻击，安全性更高。
进一步的，步骤S1中所述的生成迭代初始值具体为：
S11、获取待加密图像和预设的初始秘钥；
S12、根据所述待加密图像和所述初始秘钥生成迭代初始值。
由上述描述可知：通过获取待加密图像和预设的初始秘钥，根据所述待加密图像和所述初始秘钥生成迭代初始值，使得生成的迭代初始值安全性更高。
进一步的，步骤S1中所述的生成伪随机数和真随机数具体为：
通过二维Logistic映射生成伪随机数，并根据所述伪随机数和预设的规则生成真随机数。
由上述描述可知：通过二维Logistic映射生成伪随机数，并根据所述伪随机数和预设的规则生成真随机数，生成速度快，保证了后续加密后的图像的灰度值更加均匀。
进一步的，所述的根据所述伪随机数和预设的规则生成真随机数具体为：
将所述伪随机数转换为二进制形式，并对二进制形式的伪随机数进行划分得到第一比特流和第二比特流；
根据所述第一比特流和第二比特流分别进行异或运算生成第一真随机数和第二真随机数。
由上述描述可知：通过将所述伪随机数转换为二进制形式，并对二进制形式的伪随机数进行划分得到第一比特流和第二比特流；根据所述第一比特流和第二比特流分别进行异或运算生成第一真随机数和第二真随机数，通过异或运算使得增强生成第一真随机数和第二真随机数的复杂度和安全性。
进一步的，步骤S2中所述预设的置乱处理具体为：
分别根据所述第一真随机数和第二真随机数进行求余运算，得到第三真随机数和第四真随机数；
根据所述第三真随机数和第四真随机数依次对所述图像中各个像素点进行预设的异或运算、平移运算和扩散处理。
由上述描述可知：通过分别根据所述第一真随机数和第二真随机数进行求余运算，得到第三真随机数和第四真随机数，根据所述第三真随机数和第四真随机数依次对所述图像中各个像素点进行预设的异或运算、平移运算和扩散处理，保证了加密后的图像具备更强的复杂度和抵御明文攻击的能力。
实施例一
请参照图1，一种图像加密的方法，包括步骤：
S1、获取待加密图像，并生成迭代初始值、伪随机数和真随机数；
步骤S1中所述的生成迭代初始值具体为：
S11、获取待加密图像和预设的初始秘钥；
S12、根据所述待加密图像和所述初始秘钥生成迭代初始值；
步骤S1中所述的生成伪随机数和真随机数具体为：
通过二维Logistic映射生成伪随机数，并根据所述伪随机数和预设的规则生成真随机数；
所述的根据所述伪随机数和预设的规则生成真随机数具体为：
将所述伪随机数转换为二进制形式，并对二进制形式的伪随机数进行划分得到第一比特流和第二比特流；
根据所述第一比特流和第二比特流分别进行异或运算生成第一真随机数和第二真随机数；
S2、根据所述迭代初始值、伪随机数和真随机数对所述图像进行预设的置乱处理，得到加密后的图像；
步骤S2中所述预设的置乱处理具体为：
分别根据所述第一真随机数和第二真随机数进行求余运算，得到第三真随机数和第四真随机数；
根据所述第三真随机数和第四真随机数依次对所述图像中各个像素点进行预设的异或运算、平移运算和扩散处理。
实施例二
本实施例将结合具体的应用场景，进一步说明上述图像加密的方法是如何实现的：
1、获取待加密图像，并生成迭代初始值、伪随机数和真随机数
1.1、获取待加密图像和预设的初始秘钥(x0，y0)，以待加密图像的灰度图像的大小为M×N为例；
1.2、根据初始秘钥计算迭代初始值如下：
其中P(i,j)表示第i行第j列的灰度值，(x0，y0)表示给定的初始密钥，(x0 1，y0 1)为行置乱的迭代初始值，(x0 2，y0 2)为列置乱的迭代初始值，mod表示取余运算；
1.3、二维Logistic映射
二维Logistic映射的公式具体为：
当参数2.75<μ1≤3.4，2.75<μ2≤3.45，0.15<λ1≤0.21，0.13<λ2≤0.15并且xi，yi∈(0,1]时，处于混沌状态，所述μ1、μ2、λ1、λ2和初始秘钥(x0，y0)构成了秘钥空间；
通过二维Logistic映射生成伪随机数；
1.4、根据所述伪随机数和预设的规则生成真随机数
由1.3产生的伪随机数是实数值，将所述实数值转化为对应的二进制形式，如把16位最高有效位二进制值划分成相等的两部分，每部分由8比特二进制组成，最后把两部分8比特二进制进行异或运算生成真随机数。
具体过程描述如下：假设1.3产生的实数值是0.67378，其对应的二进制为0.10100010111010 01001……，最高有效的16位是1010001011101001，前8比特是(T15-8)＝(10100010)2,而后8比特是(T7-0)＝(11101001)2，因此产生的真随机数(R)＝T15-8XOR T7-0＝(01001011)2，其中XOR表示异或运算；
1.5、预设的异或处理EXOR
通过对原有的异或运算进行改进得到预设的异或运算(EXOR)主要用来增强信息的复杂度和安全性，对于两个和EXOR运算如公式如下：
其中not(x)表示对比特x取反，表示异或运算；
如果EXOR(x,r)＝t,那么EXOR(t,r)＝x，如表1所示
表1 not的运算结果
2、行置乱处理
步骤1：根据迭代初始值(x0 1，y0 1)和二维Logistic映射的公式进行预设次数的迭代处理，以去除暂态效应，所述预设迭代次数优选500次；
步骤2：继续迭代1次，i＝1，获得新的伪随机数(x,y)；
步骤3：根据1.4，将(x,y)的小数部分转换成对应的二进制流(S,T)；
步骤4：比特流S的最高20位生成真随机数k1，比特流T的最高16位生成真随机数k2；
S19-10←前10比特，S9-0←后10比特，并且(第一真随机数)k1←S19-10XOR S9-0；
T15-8←前8比特，T7-0←后8比特，并且(第二真随机数)k2←T15-8XOR T7-0；
k1＝mod(k1，1023)+1
k2＝mod(k2，N-1)+1
其中对k1，k2进行取余运算后为整数，相当于第三真随机数和第四真随机数，并且k1的取值范围为[1,1023]，k2的取值范围为[1,N-1]；
步骤5：对第i行像素P(i,·)，进行运算P(i,·)＝EXOR(P(i,·),k1)。
步骤6：所有行P(i,·)处理完成后形成一个圆，且所有像素向右移动k2位置；
步骤7：i＝i+1，并且根据公式进行下一次迭代；
其中q1表示第i行P(i,.)的平均值；
步骤8：重复步骤1-7直到i>M为止；
3、列置乱处理
列置乱处理过程与上述行置乱处理过程相同，为了表述的简洁此处不再复述；
4、扩散处理
对置乱后的像素进行如下扩散处理：
其中P(i)，a(i)，R(i)和R(i-1)分别表示置乱后的像素，混沌序列值，输出的加密像素和前一个加密像素，i＝2,3,…,MN；
5、结果比对
5.1、秘钥空间和敏感性分析
本实验是在Windows 7和MATLAB 2010b平台下进行的，图像大小为256×256的灰度图像，为了显示实验效果，把本文方法与方法一和方法二所提出的图像加密算法分别对同一明文图像进行加密，结果如图3所示，图3中由左至右依次为明文图像、方法二、本发明方法和方法一；
一个好的加密算法应当对密钥敏感，要有足够大的密钥空间来抵制暴力攻击，本文密钥是μ1、μ2、λ1、λ2和初始秘钥(x0，y0)，计算精度是1016，因此密钥空间是1016×1016×1016×1016×1016×1016＝1096，因此本发明能够抵御暴力攻击；
本发明中正确的初始密钥μ1＝2.95，μ2＝3.14，λ1＝0.18，λ2＝0.142，x0＝0.6784和y0＝0.6784，当密钥发生微小改变时，比如μ1＝2.9500001，μ2＝3.14，λ1＝0.18，λ2＝0.142，x0＝0.6784和y0＝0.6784，既为不正确的解密密码，得到的解码图像和相应的直方图如图4所示，图4中由左至右依次明文图像、不正确的解密图像和不正确解密图像的直方图；
5.2、直方图分析
由图5可知，明文图像的灰度值分布不均匀，而经过加密以后的图像灰度值分布的更加均匀，图5中由左至右依次为明文图像直方图和加密图像直方图；
5.3、相关性分析
从原始图像和加密图像中选择7310对相邻像素(水平、垂直和对角方向)，根据公式计算两个相邻像素的相关系数：
其中相关性比较如表2所示：
表2相邻像素相关性比较(Lena)
相关性 水平方向 垂直方向 对角方向
明文图像 0.9425 0.9701 0.9248
方法一 0.0013 0.0021 -0.0024
方法二 -0.0028 0.0032 0.0052
本文算法 0.0033 -0.0028 -0.0039
由表2可知，本文提出的算法能够更好地去除像素之间的相关性；
5.4、信息熵分析
信息熵是用来衡量随机性的一个非常重要的指标，其计算公式如下：
这里r(si)是信号si的概率，L是si的最大值，256级灰度图像信息熵的极限值为8，本文算法得到的信息熵值为7.996，是非常接近理论值的，表明信息的随机性是非常高的；
5.5、明文敏感性分析
明文敏感性主要通过NPCR和UACI来衡量，计算公式如下：
计算得到NPCR＝99.61％，UACI＝33.32％，结果表明提出的算法能够有效地抵御明文攻击；
5.6、剪切攻击分析
由图6和图7可知，本发明可对受到剪切攻击后的图像进行正确的解密，图6由左至右依次为剪切1/8、剪切1/4和剪切1/2，图7由左至右依次为剪切1/8解密后图像、剪切1/4解密后图像和剪切1/2解密后图像；
5.7、噪声攻击分析
信号在传输过程中不可避免地会受到噪声的影响，明文图像中加入常用的椒盐噪声和高斯白噪声，分别得到相应的解密图像图8和图9，图8中由左至右为椒盐噪声d的大小依次为0.001、0.005和0.01时解密后得到的图像，图9中由左至右为高斯噪声v的大小依次为0.001、0.005和0.01时解密后得到的图像；
由此可见，当椒盐噪声的密度由0.001变到0.01时，解密图像会出现更多的噪声点，但是解密的图像还是可辨认的，受高斯白噪声攻击的图像具有类似的性质，因此本发明能够有效抵御噪声攻击。
实施例三
请参照图2，一种图像加密的终端1，包括存储器2、处理器3及存储在存储器2上并可在处理器3上运行的计算机程序，所述处理器3执行所述程序时实现实施例一中的各个步骤。
综上所述，本发明提供的一种图像加密的方法及终端，通过获取待加密图像，并生成迭代初始值、伪随机数和真随机数，根据所述迭代初始值、伪随机数和真随机数对所述图像进行预设的置乱处理，得到加密后的图像，利用真随机数和伪随机数相结合，从而有效的去除图像间的相关性，使得加密后的图像随机性更高，通过预设的置乱处理使得加密后的图像能抵御明文攻击，安全性更高，通过将所述伪随机数转换为二进制形式，并对二进制形式的伪随机数进行划分得到第一比特流和第二比特流；根据所述第一比特流和第二比特流分别进行异或运算生成第一真随机数和第二真随机数，通过异或运算使得增强生成第一真随机数和第二真随机数的复杂度和安全性，通过分别根据所述第一真随机数和第二真随机数进行求余运算，得到第三真随机数和第四真随机数，根据所述第三真随机数和第四真随机数依次对所述图像中各个像素点进行预设的异或运算、平移运算和扩散处理，保证了加密后的图像具备更强的复杂度和抵御明文攻击的能力。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种图像加密的方法，其特征在于，包括步骤：
S1、获取待加密图像，并生成迭代初始值、伪随机数和真随机数；
S2、根据所述迭代初始值、伪随机数和真随机数对所述图像进行预设的置乱处理，得到加密后的图像。
2.根据权利要求1所述的图像加密的方法，其特征在于，步骤S1中所述的生成迭代初始值具体为：
S11、获取待加密图像和预设的初始秘钥；
S12、根据所述待加密图像和所述初始秘钥生成迭代初始值。
3.根据权利要求1所述的图像加密的方法，其特征在于，步骤S1中所述的生成伪随机数和真随机数具体为：
通过二维Logistic映射生成伪随机数，并根据所述伪随机数和预设的规则生成真随机数。
4.根据权利要求3所述的图像加密的方法，其特征在于，所述的根据所述伪随机数和预设的规则生成真随机数具体为：
将所述伪随机数转换为二进制形式，并对二进制形式的伪随机数进行划分得到第一比特流和第二比特流；
根据所述第一比特流和第二比特流分别进行异或运算生成第一真随机数和第二真随机数。
5.根据权利要求4所述的图像加密的方法，其特征在于，步骤S2中所述预设的置乱处理具体为：
分别根据所述第一真随机数和第二真随机数进行求余运算，得到第三真随机数和第四真随机数；
根据所述第三真随机数和第四真随机数依次对所述图像中各个像素点进行异或运算、平移运算和扩散处理。
6.一种图像加密的终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：
S1、获取待加密图像，并生成迭代初始值、伪随机数和真随机数；
S2、根据所述迭代初始值、伪随机数和真随机数对所述图像进行预设的置乱处理，得到加密后的图像。
7.根据权利要求1所述的图像加密的终端，其特征在于，步骤S1中所述的生成迭代初始值具体为：
S11、获取待加密图像和预设的初始秘钥；
S12、根据所述待加密图像和所述初始秘钥生成迭代初始值。
8.根据权利要求1所述的图像加密的终端，其特征在于，步骤S1中所述的生成伪随机数和真随机数具体为：
通过二维Logistic映射生成伪随机数，并根据所述伪随机数和预设的规则生成真随机数。
9.根据权利要求3所述的图像加密的终端，其特征在于，所述的根据所述伪随机数和预设的规则生成真随机数具体为：
将所述伪随机数转换为二进制形式，并对二进制形式的伪随机数进行划分得到第一比特流和第二比特流；
根据所述第一比特流和第二比特流分别进行异或运算生成第一真随机数和第二真随机数。
10.根据权利要求4所述的图像加密的终端，其特征在于，步骤S2中所述预设的置乱处理具体为：
分别根据所述第一真随机数和第二真随机数进行求余运算，得到第三真随机数和第四真随机数；
根据所述第三真随机数和第四真随机数依次对所述图像中各个像素点进行预设的异或运算、平移运算和扩散处理。
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