CN110009703B - 一种基于混沌系统的图像加密、解密方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于混沌系统的图像加密方法、加密设备、存储介质。具体的实现是首先将对应格式的图像进行解码，然后对解码出来的三个通道的像素通过混沌系统产生的序列进行像素置乱，从而实现对图像的加密传输与存储目的。利用这种图像加密装置，完成一张JPG格式的图像的加密时间小于1s，解密的图像保真度高，基本上和原图一致；混沌系统采用双混沌系统，产生的密钥具有较高的抗破译能力，而且整个加密与解密过程都是在装置里完成，保证信息的安全；并且装置低成本、低功耗、实用性强。

Description

一种基于混沌系统的图像加密、解密方法及设备
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域，尤其涉及一种基于混沌系统的图像加密方法、加密设备、存储介质。
背景技术
近年来，随着网络技术的发展，关于图像的传输与存储的安全已经成为一个值得关注的问题。目前图像加密装置主要是基于PC端，或者一些硬件上完成。在PC上，可以设计一个混沌系统进行图像加密，但是完成加密与解密的代码和产生的数据副本都会在PC上留下痕迹，如果混沌系统的保密性能不够好，就容易造成泄密；而且由于常规混沌系统复杂度高，对计算力要求高，不利于嵌入式的实现。
此外，对于基于硬件实现的图像加密，目前主要是在FPGA和DSP上做算法的硬件验证，虽然可以达到很好的加密效果，但是芯片成本高，不利于市场推广。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种保密性能好的基于混沌系统的图像加密方法、加密设备、存储介质。
一种基于混沌系统的图像加密方法，包括以下步骤：
对原始图像进行解码预处理得到RGB三个通道的颜色分量；
对所述RGB三个通道的颜色分量通过双混沌系统产生的混沌序列进行加密，使用帐篷映射迭代N次作为logistic映射的初始值，由logistic映射方程产生混沌序列x0；
Figure BDA0001998817820000021
x(n+1)＝ux(n)(1-x(n))   (2)
以上两个公式中，公式(1)是帐篷映射，公式(2)是logistic映射；x(n)表示混沌映射方程当前状态的值，x(n+1)表示下一个状态的值，h和u分别代表帐篷映射和logistic映射的参数；
针对每个颜色分量采用公式(3)进行加密，最后获得加密后的R′、G′、B′数据流；
Figure BDA0001998817820000022
其中mod()为求余运算。
进一步地，如上所述的图像加密方法，所述对原始图像进行解码预处理得到RGB三个通道的颜色分量包括：
输入原始图像；
读取输入图片的相关信息，将原始图像分解为若干个小的图像碎片，分解后的每一个图像碎片称为一个解码单元；
逐一的将所有图像流读取的解码单元进行解码；
将解码出的图像数据通过下式，将颜色空间由YCbCr转换为RGB 3个颜色分量的图像；
R＝Y+1.402(Cr-128)
G＝Y-0.34414(Cb-128)-0.71414(Cr-128)
B＝Y+1.772(Cb-128)
对所有解码出的颜色分量按照矩阵排列，获得图像的RGB颜色分量。
进一步的，如上所述的方法，所述解码包括以下过程：
首先进行熵解码，熵解码是指将经过编码压缩的图像，根据编码表通过解码算法恢复出DCT的直流系数和交流系数；
然后反量化，反量化是指将JPG图像编码压缩过程中把经过DCT变换后的频率系数还原出来，其输入是熵解码后的数据，然后与量化表进行相乘完成反量化，量化表包括：亮度分量量化表和色差分量量化表；
最后进行IDCT，IDCT是指对反量化后得到的DCT变换系数经过反向离散余弦变换IDCT获得图像的像素值。
一种基于混沌系统的图像解密方法，包括以下步骤：
对所述R′、G′、B′数据流利用混沌同步效应进行解密，使用帐篷映射迭代N次作为logistic映射的初始值，由logistic映射方程产生混沌序列y0；
对混沌序列y0进行取余运算得到key，将key逐一的与R′、G′、B′进行异或完成解密，得到解密后的RGB三个通道的颜色分量；
Figure BDA0001998817820000031
对所述RGB三个通道的颜色分量进行编码处理最终得到还原后的解密图像。
进一步地，如上所述的图像解密方法，所述对所述RGB三个通道的颜色分量进行编码处理最终得到还原后的解密图像包括：
将所述RGB三个通道的颜色分量根据下式进行颜色空间转换，由RGB转化为YCbCr；
Y＝0.299R+0.587G+0.114B
Cb＝128-0.1687R-0.3313G+0.5B
Cr＝128+0.5R-0.4187G-0.0813B
将图像数据碎片化，碎化图片为编码单元，逐一的将所有图像流读取的编码单元进行编码，并保存图像的相关信息，最终输出整合好后的还原图像。
进一步地，如上所述的图像解密方法，所述编码包括以下过程：
首先进行离散余弦变换，使用离散余弦变换DCT把空间域表示的图变换成频率域表示的图；
然后根据量化表进行量化，使用亮度分量量化表和色差分量量化表对DCT系数进行量化；再进行熵编码：
最后使用编码表对直流系数和交流系数作进一步的压缩。
一种计算机设备，包括处理器以及存储有计算机程序代码的存储器；
当所述计算机程序代码被所述处理器运行时，导致所述计算设备执行如上任一项所述的图像加密方法和/或如上任一项所述的图像解密方法。
进一步地，如上所述的计算机设备，所述处理器采用STM32微控制器作为处理器。
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图像加密程序和/或图像解密程序，所述图像加密程序执行时实现如上任一项所述的图像加密方法；所述图像解密程序执行时实现如上任一项所述的图像解密方法。
有益效果：
1.混沌系统保密性能好；采用双混沌系统，密钥空间大，抗破译能力强，复杂度低，易于硬件实现。
2.实用性强；可以加密各种常用格式的图片，加密时间短，解密图像保真度高，装置体积小方便携带。
3.低成本，低功耗；采用STM32低功耗芯片，装置的成本低。
附图说明
图1为本发明基于混沌系统的图像加密解密方法流程图；
图2为本发明解码流程图；
图3为本发明编码流程图；
图4为本发明计算机设备结构图；
图5为本发明软件界面示意图；
图6-1为加密与解密示意图一；图6-2为加密与解密示意图二；图6-3为加密与解密示意图三；图6-4为加密与解密示意图四；其中，(a)原图，(b)为输入正确密钥的解密图，(c)为输入错误密钥的解密图；
图7(a)为原始图像；
图7(b)为加密后的图像；
图8(a)为明文RGB各通道的像素直方图；
图8(b)为密文RGB各通道的像素直方图；
图9(a)明文水平、垂直、对角方向相邻像素相关性分析图；
图9(b)密文水平、垂直、对角方向相邻像素相关性分析图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。
本发明主要解决图像在传输与存储过程中的信息安全问题。具体的实现是首先将对应格式的图像进行解码，然后对解码出来的三个通道的像素通过混沌系统产生的序列进行像素置乱，从而实现对图像的加密传输与存储目的。利用这种图像加密装置，完成一张JPG格式的图像的加密时间小于1s，解密的图像保真度高，基本上和原图一致；混沌系统采用双混沌系统，产生的密钥具有较高的抗破译能力，而且整个加密与解密过程都是在装置里完成，保证信息的安全；并且装置低成本、低功耗、实用性强。
如图1所示，本发明提供的一种基于混沌系统的图像加密方法，包括以下步骤：
对原始图像进行解码预处理得到RGB三个通道的颜色分量；
对所述RGB三个通道的颜色分量通过双混沌系统产生的混沌序列进行加密，使用帐篷映射迭代N次作为logistic映射的初始值，由logistic映射方程产生混沌序列x0；
Figure BDA0001998817820000061
x(n+1)＝ux(n)(1-x(n))   (2)
以上两个公式中，公式(1)是帐篷映射，公式(2)是logistic映射；x(n)表示混沌映射方程当前状态的值，x(n+1)表示下一个状态的值，h和u分别代表帐篷映射和logistic映射的参数；
针对每个颜色分量采用公式(3)进行加密，最后获得加密后的R′、G′、B′数据流；
Figure BDA0001998817820000062
其中mod()为求余运算。
本发明提供的一种基于混沌系统的图像解密方法，包括以下步骤：
对所述R′、G′、B′数据流利用混沌同步效应进行解密，使用帐篷映射迭代N次作为logistic映射的初始值，由logistic映射方程产生混沌序列y0；
对混沌序列y0进行取余运算得到key，将key逐一的与R′、G′、B′进行异或完成解密，得到解密后的RGB三个通道的颜色分量；
Figure BDA0001998817820000063
对所述RGB三个通道的颜色分量进行编码处理最终得到还原后的解密图像。
其中，对于所述解码过程，如图2所示，所述对原始图像进行解码预处理得到RGB三个通道的颜色分量包括：
输入原始图像；
读取输入图片的相关信息，将原始图像分解为若干个小的图像碎片，分解后的每一个图像碎片称为一个解码单元；
逐一的将所有图像流读取的解码单元进行解码；
将解码出的图像数据通过下式，将颜色空间由YCbCr转换为RGB 3个颜色分量的图像；
R＝Y+1.402(Cr-128)
G＝Y-0.34414(Cb-128)-0.71414(Cr-128)
B＝Y+1.772(Cb-128)
对所有解码出的颜色分量按照矩阵排列，获得图像的RGB颜色分量。
所述解码包括以下过程：
首先进行熵解码，熵解码是指将经过编码压缩的图像，根据编码表通过解码算法恢复出DCT的直流系数和交流系数；
然后反量化，反量化是指将JPG图像编码压缩过程中把经过DCT变换后的频率系数还原出来，其输入是熵解码后的数据，然后与量化表进行相乘完成反量化，量化表包括：亮度分量量化表和色差分量量化表；
最后进行IDCT，IDCT是指对反量化后得到的DCT变换系数经过反向离散余弦变换IDCT获得图像的像素值。
如图3所示，所述对所述RGB三个通道的颜色分量进行编码处理最终得到还原后的解密图像包括：
将所述RGB三个通道的颜色分量根据下式进行颜色空间转换，由RGB转化为YCbCr；
Y＝0.299R+0.587G+0.114B
Cb＝128-0.1687R-0.3313G+0.5B
Cr＝128+0.5R-0.4187G-0.0813B
将图像数据碎片化，碎化图片为编码单元，逐一的将所有图像流读取的编码单元进行编码，并保存图像的相关信息，最终输出整合好后的还原图像。
所述编码包括以下过程：
首先进行离散余弦变换，使用离散余弦变换DCT把空间域表示的图变换成频率域表示的图；
然后根据量化表进行量化，使用亮度分量量化表和色差分量量化表对DCT系数进行量化；再进行熵编码：
最后使用编码表对直流系数和交流系数作进一步的压缩。
具体实施例：
图像加密方法：
步骤1:输入原始JPG图像；
步骤2:读取输入图片的相关信息，将原始JPG图像分解为若干个小的图像碎片，分解后的每一个图像碎片称为一个解码单元；逐一的将所有图像流读取的解码单元进行解码。首先进行熵解码，熵解码是指将经过编码压缩的图像，根据编码表通过解码算法恢复出DCT(离散余弦变换)的直流系数和交流系数；然后反量化，反量化是指将JPG图像编码压缩过程中把经过DCT变换后的频率系数还原出来，其输入是熵解码后的数据，然后与量化表进行相乘完成反量化，量化表包括：亮度分量量化表和色差分量量化表；最后进行反向离散余弦变换(IDCT)，IDCT(反向离散余弦变换)是指对反量化后得到的DCT变换系数经过反向离散余弦变换IDCT获得图像的像素值；
步骤3：将解码出的图像数据，颜色空间由YCbCr转换为RGB 3个颜色分量的图像；
Figure BDA0001998817820000081
步骤4：对所有解码出的颜色分量按照矩阵排列，获得图像的颜色分量RGB；
步骤5：通过双混沌系统产生混沌序列，使用帐篷映射迭代N次作为logistic映射的初始值，由logistic映射方程产生混沌序列x0；
Figure BDA0001998817820000091
x(n+1)＝ux(n)(1-x(n))   (3)
以上两个公式中，公式(2)是帐篷映射，公式(3)是logistic映射；x(n)表示混沌映射方程当前状态的值，x(n+1)表示下一个状态的值，h和u分别代表帐篷映射和logistic映射的参数，取h＝0.967,u＝4.0
步骤6：针对每个颜色分量采用以下公式进行加密，其中mod()为求余运算；首先将混沌系统产生的混沌序列x0乘以1000，然后与256进行取余运算得到混沌序列key，将key逐一的与RGB进行异或，完成像素置乱，从而完成加密，最后获得加密后的R′、G′、B′；
Figure BDA0001998817820000092
步骤7：根据步骤6到加密后的加密数据流，至此，原始图像加密为数据流；
步骤8：将加密数据流保存到数据库中。
图像解密方法：
步骤1：从数据库中调取加密数据流；
步骤2：利用混沌同步效应，与加密步骤5一样，使用帐篷映射迭代N次作为logistic映射的初始值，由logistic映射方程产生混沌序列y0；
步骤3：同样，对混沌序列y0进行取余运算得到key，将key逐一的与R′、G′、B′进行异或完成解密，得到解密后的图片数据RGB；
Figure BDA0001998817820000101
步骤4：将图像进行颜色空间转换，由RGB转化为YCbCr
Figure BDA0001998817820000102
步骤5：从图像数据碎片化，碎化图片为编码单元，逐一的将所有图像流读取的编码单元进行编码；首先进行离散余弦变换，使用离散余弦变换(DCT)把空间域表示的图变换成频率域表示的图；然后根据量化表进行量化，使用亮度分量量化表和色差分量量化表对DCT系数进行量化；再进行熵编码：使用编码表对直流系数和交流系数作进一步的压缩；
步骤6：保存图像的相关信息，最终输出整合好后的图像；
如图4所示，本发明提供一种计算机设备，包括处理器以及存储有计算机程序代码的存储器；
当所述计算机程序代码被所述处理器运行时，导致所述计算设备执行所述的图像加密方法和/或所述的图像解密方法。
进一步地，如上所述的计算机设备，所述处理器采用STM32微控制器作为处理器。
如图4所示，本发明提供的计算机设备，主要包括微控制器和外部模块；微控制器为STM32芯片，完成加密与解密的运算；外部模块中，USB接口与SD卡读写模块主要完成加密图片的拷贝，同时是一个U盘，而且同时也可以完成微控制器读写存储卡与U盘功能的切换；复位与电压转换模块，主要是完成对微控制器的复位，和5V转3.3V电源为装置提供电源；程序烧录模块主要完成程序烧录；指示灯是提示装置的加密与解密的完成情况；电源滤波模块，对进入微控制器的电源进行滤波，提高STM32微控制器运行的可靠性；串口通信模块主要完成软件与装置的通信功能。
本发明还提供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图像加密程序和/或图像解密程序，所述图像加密程序执行时实现所述的图像加密方法；所述图像解密程序执行时实现所述的图像解密方法。
如图5所示，本发明提供的软件界面，操作过程如下所示：
加密过程
(1)打开图像加密与解密软件，将装置USB口与电脑连接，点击打开按钮，把需要加密的图片移动到加密文件下。
(2)将装置的另一头用数据线连接电脑进行串口通信，首先查找串口，然后选择串口。
(3)连接并打开串口之后，点击确认进行初始化SD卡，输入密钥，进度条表示完成进度情况，装置红色指示灯亮，表示设备正在加密；当进度条达到100％，红色指示灯熄灭，表示加密过程完成。
解密过程
(1)解密过程与加密操作流程相似，打开图像加密与解密软件，搜索串口,点击确认对SD卡进行初始化。
(2)在输入窗口输入与加密一致的密钥，用鼠标点一下解密，进度条表示完成进度情况，绿色指示灯亮，表示硬件正在解密；当进度条达到100％，绿色指示灯熄灭，表示解密过程完成。
(3)把装置的USB端口与电脑连接，点击输出，软件界面会显示解密图片，并自动保存到SD卡中。
混沌系统性能分析
1、抗破译分析
混沌系统如果输入密钥x0＝0.300000000000001，N＝100000，应用穷举法，正确解密的次数为10^15*10^5＝10^20，所以应用穷举法需要的代价比较大，因此本发明使用的混沌系统密钥灵敏度高、密钥空间大、抗破译性较强。
2、图像质量分析
图像质量评价是为了判定两张图片的相似程度，本发明采用峰值信噪比(PSNR)来判定原图与解密后两张图片的相似程度，PSNR越大失真越小。具体的计算公式如(7)和(8)所示，其中MSE为均方差，f为原图的像素，f′为解密后的图像像素,M和N为图像的尺寸。图6是使用STM32F407VGT6，对大小为146*146的jpg格式图片进行加密、正确解密和错误解密的效果图，表1给出正确解密的图像的PSNR值；对比原图发现，解密图像基本上与原图相似，因此本发明装置解密图像保真度高。
Figure BDA0001998817820000121
Figure BDA0001998817820000122
表1解密图像的PSNR
原图 6-1 6-2 6-3 6-4
PSNR 38.5280 34.0786 37.1051 34.6799
3、相关性分析
相邻像素相关性反映图像相邻位置像素值的相关程度，理想的图像加密算法应尽量使相邻像素的相关性达到零。本发明以lena(146*146)(jpg)为例，首先给出原图与加密过后的图的RGB三个通道的直方图分布，然后再分别随机抽取1000对像素，对这两个图像进行相关性分析，相关性的计算公式由(9)给出。通过图8，可以发现经过加密之后，RGB三个通道的像素相关性几乎消失，所以从加密图像无法观察出原图的规律，具有很好的保密性能；通过图9和表2，可以看出明文的图像相邻像素相关度高，水平，垂直，对角方向分别为0.9675，0.9348和0.8933；对于密文，分别为-0.0478，0.0270和0.0380，相关性几乎接近零，所以本发明的加密算法可以使图像的像素相关性减小接近为零相关，加密图像置乱效果好。
Figure BDA0001998817820000123
表2原图和加密图的三个方向的相邻像素相关度
水平方向 垂直方向 对角方向
原图 0.9675 0.9348 0.8933
解密 -0.0478 0.0270 0.0380
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于混沌系统的图像加密方法，其特征在于，包括以下步骤：
对原始图像进行解码预处理得到RGB三个通道的颜色分量；
对所述RGB三个通道的颜色分量通过双混沌系统产生的混沌序列进行加密，使用帐篷映射迭代N次作为logistic映射的初始值，由logistic映射方程产生混沌序列x0；
Figure FDA0004057510190000011
x(n+1)＝ux(n)(1-x(n))(2)
以上两个公式中，公式(1)是帐篷映射，公式(2)是logistic映射；x(n)表示混沌映射方程当前状态的值，x(n+1)表示下一个状态的值，h和u分别代表帐篷映射和logistic映射的参数；
针对每个颜色分量采用公式(3)进行加密，最后获得加密后的R′、G′、B′数据流；
Figure FDA0004057510190000012
其中mod()为求余运算；
所述对原始图像进行解码预处理得到RGB三个通道的颜色分量包括：
输入原始图像；
读取输入图片的相关信息，将原始图像分解为若干个小的图像碎片，分解后的每一个图像碎片称为一个解码单元；
逐一的将所有图像流读取的解码单元进行解码；
将解码出的图像数据通过下式，将颜色空间由YCbCr转换为RGB 3个颜色分量的图像；
R＝Y+1.402(Cr-128)
G＝Y-0.34414(Cb-128)-0.71414(Cr-128)
B＝Y+1.772(Cb-128)
对所有解码出的颜色分量按照矩阵排列，获得图像的RGB颜色分量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述解码包括以下过程：
首先进行熵解码，熵解码是指将经过编码压缩的图像，根据编码表通过解码算法恢复出DCT的直流系数和交流系数；
然后反量化，反量化是指将JPG图像编码压缩过程中把经过DCT变换后的频率系数还原出来，其输入是熵解码后的数据，然后与量化表进行相乘完成反量化，量化表包括：亮度分量量化表和色差分量量化表；
最后进行IDCT，IDCT是指对反量化后得到的DCT变换系数经过反向离散余弦变换IDCT获得图像的像素值。
3.一种基于混沌系统的图像解密方法，其特征在于，包括以下步骤：
对所述R′、G′、B′数据流利用混沌同步效应进行解密，使用帐篷映射迭代N次作为logistic映射的初始值，由logistic映射方程产生混沌序列y0；
对混沌序列y0进行取余运算得到key，将key逐一的与R′、G′、B′进行异或完成解密，得到解密后的RGB三个通道的颜色分量；
Figure FDA0004057510190000021
对所述RGB三个通道的颜色分量进行编码处理最终得到还原后的解密图像；
所述对RGB三个通道的颜色分量进行编码处理最终得到还原后的解密图像包括：
将所述RGB三个通道的颜色分量根据下式进行颜色空间转换，由RGB转化为YCbCr；
Y＝0.299R+0.587G+0.114B
Cb＝128-0.1687R-0.3313G+0.5B
Cr＝128+0.5R-0.4187G-0.0813B
将图像数据碎片化，碎化图片为编码单元，逐一的将所有图像流读取的编码单元进行编码，并保存图像的相关信息，最终输出整合好后的还原图像。
4.根据权利要求3所述的图像解密方法，其特征在于，所述编码包括以下过程：
首先进行离散余弦变换，使用离散余弦变换DCT把空间域表示的图变换成频率域表示的图；
然后根据量化表进行量化，使用亮度分量量化表和色差分量量化表对DCT系数进行量化；再进行熵编码：
最后使用编码表对直流系数和交流系数作进一步的压缩。
5.一种计算机设备，包括处理器以及存储有计算机程序代码的存储器；当所述计算机程序代码被所述处理器运行时，导致所述计算设备执行根据权利要求1-2中任一项所述的图像加密方法和/或根据权利要求3-4所述的图像解密方法。
6.根据权利要求5所述的计算机设备，其特征在于，所述处理器采用STM32微控制器作为处理器。
7.一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图像加密程序和/或图像解密程序，所述图像加密程序执行时实现如权利要求1至2中任一项所述的图像加密方法；所述图像解密程序执行时实现如权利要求3至4中任一项所述的图像解密方法。
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