CN110944096B - 一种有意义密文的图像加密方法 - Google Patents

一种有意义密文的图像加密方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110944096B
CN110944096B CN201911269387.XA CN201911269387A CN110944096B CN 110944096 B CN110944096 B CN 110944096B CN 201911269387 A CN201911269387 A CN 201911269387A CN 110944096 B CN110944096 B CN 110944096B
Authority
CN
China
Prior art keywords
ciphertext
encryption
plaintext
image
meaningful
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201911269387.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN110944096A (zh
Inventor
郭媛
敬世伟
魏连锁
陈炜
王充
姜津霖
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Qiqihar University
Original Assignee
Qiqihar University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Qiqihar University filed Critical Qiqihar University
Priority to CN201911269387.XA priority Critical patent/CN110944096B/zh
Publication of CN110944096A publication Critical patent/CN110944096A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110944096B publication Critical patent/CN110944096B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N1/00—Scanning, transmission or reproduction of documents or the like, e.g. facsimile transmission; Details thereof
    • H04N1/32—Circuits or arrangements for control or supervision between transmitter and receiver or between image input and image output device, e.g. between a still-image camera and its memory or between a still-image camera and a printer device
    • H04N1/32101—Display, printing, storage or transmission of additional information, e.g. ID code, date and time or title
    • H04N1/32144—Display, printing, storage or transmission of additional information, e.g. ID code, date and time or title embedded in the image data, i.e. enclosed or integrated in the image, e.g. watermark, super-imposed logo or stamp
    • H04N1/32149—Methods relating to embedding, encoding, decoding, detection or retrieval operations
    • H04N1/32154—Transform domain methods
    • H04N1/3217—Transform domain methods using wavelet transforms
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/001—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols using chaotic signals
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/06—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols the encryption apparatus using shift registers or memories for block-wise or stream coding, e.g. DES systems or RC4; Hash functions; Pseudorandom sequence generators
    • H04L9/0643—Hash functions, e.g. MD5, SHA, HMAC or f9 MAC
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N1/00—Scanning, transmission or reproduction of documents or the like, e.g. facsimile transmission; Details thereof
    • H04N1/32—Circuits or arrangements for control or supervision between transmitter and receiver or between image input and image output device, e.g. between a still-image camera and its memory or between a still-image camera and a printer device
    • H04N1/32101—Display, printing, storage or transmission of additional information, e.g. ID code, date and time or title
    • H04N1/32144—Display, printing, storage or transmission of additional information, e.g. ID code, date and time or title embedded in the image data, i.e. enclosed or integrated in the image, e.g. watermark, super-imposed logo or stamp
    • H04N1/32149—Methods relating to embedding, encoding, decoding, detection or retrieval operations
    • H04N1/32267—Methods relating to embedding, encoding, decoding, detection or retrieval operations combined with processing of the image
    • H04N1/32272—Encryption or ciphering
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N1/00—Scanning, transmission or reproduction of documents or the like, e.g. facsimile transmission; Details thereof
    • H04N1/44—Secrecy systems

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Computer Security & Cryptography (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Storage Device Security (AREA)
  • Facsimile Transmission Control (AREA)

Abstract

本发明公开了一种有意义密文的图像加密方法，所述图像加密方法先在空域中预加密，接着在频域进行基于整数离散小波变换的有意义密文加密。预加密采用现有的数字图像的加密方式得到一个类噪声的中间密文。中间密文的百十位和个位分别与封面图像小波变换后得到的循环移位置乱后的细节矩阵CV、CD进行加和，这种嵌入方式的加和降低了有意义密文的纹理特征，把百十位放一起提高了加密系统抗噪声的能力，置乱进一步提高系统的安全性，扩宽了可用的封面图像的大小范围，增强了方法的实用性。加密系统用明文SHA‑256作为密钥一部分，有效提高了明文敏感性和抵御选择明文攻击能力。

Description

一种有意义密文的图像加密方法
技术领域
本发明涉及一种有意义密文的图像加密方法，具体涉及一种基于循环移位置乱和整数离散小波变换的有意义密文的图像加密方法。
背景技术
随着信息交流和多媒体的快速发展，越来越多的图像在网络中传输与储存，但易遭受黑客的各种攻击，因此图像安全性受到越来越多学者关注。现有的图像加密方法主要分为空域和频域加密两种，频域加密方式很多，如基于傅里叶、分数傅里叶、菲涅尔变换以及小波变换等的图像加密方式。空域的加密主要分为两步：置乱和扩散。其中，主要用到像素值置乱、比特置乱、DNA编码、以及异或扩散、取余扩散以及有限域乘法扩散。
以上加密方式加密出来的密文均为类噪声图像或是类纹理图像，凭借这一特点破解者可以轻松在密文传输过程中截取密文，为此Long Bao et al提出基于整数离散小波变换的有意义密文的加密方式，将封面图像经过整数离散小波变化得到一个近似矩阵CA和三个细节信息矩阵CH、CV、CD，用中间密文的百十位替代CV，个位替代CD，再经过离散小波逆变换得到一个肉眼看起来像封面图像的密文。这使得密文在传输过程中极大的降低了被破解者发现的可能性，提高了加密系统的安全性，但是得到的有意义的密文具有严重的纹理特征，使得攻击者可以凭借这一特征而将其截获。为此一些学者修改了中间密文嵌入方式，Yu-GuangYang et al将中间密文的个、十、百位分别与CH、CV、CD加和，替换CH、CV、CD。A.Kanso etal将中间密文的图像化为二进制，将每个数二进制前三位、中间三位和后两位化为十进制数后分别替换CH、CV和CD置乱后的一部分，这种嵌入方式有一个置乱的加密过程，使得系统安全性更高，同时还可以增加封面图像大小来更好的改善密文的纹理特征，但是不重复的全局置乱所用时间过长。以上改进的嵌入方式极大的降低了有意义密文的纹理特征，使得密文与封面图像更加相似，但是这也极大降低了加密方法对噪声的抵抗能力。
发明内容
鉴于现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种基于循环移位置乱和整数离散小波变换的有意义密文加密方法。该方法先在空域中预加密，接着在频域进行基于整数离散小波变换的有意义密文加密。预加密采用现有的数字图像的加密方式得到一个类噪声的中间密文。中间密文的百十位和个位分别与封面图像小波变换后得到的循环移位置乱后的细节矩阵CV、CD进行加和，这种嵌入方式的加和降低了有意义密文的纹理特征，把百十位放一起提高了加密系统抗噪声的能力，置乱进一步提高系统的安全性，扩宽了可用的封面图像的大小范围，增强了方法的实用性。加密系统用明文SHA-256作为密钥一部分，有效提高了明文敏感性和抵御选择明文攻击能力。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于循环置乱和整数离散小波变换的有意义密文加密方法，包括如下步骤：
步骤一、混沌初值、参数以及预迭代次数与明文SHA-256联系
(1)将明文的256位哈希值每八位分为一组，表示为H＝h1,h2,...,h32；其中hi为hi＝[hi，0,hi，1,...,hi，7]；
(2)根据下式产生x0,3和r3：
Figure BDA0002313741340000031
Figure BDA0002313741340000032
式中，x0,3、r3为L-S混沌的初值与参数，x'0,3、r'3为对应的人为设定的初值与参数；
(3)为了消除混沌的暂态效应预先迭代N0,3次，N0,3与对应初值、参数以及明文哈希值有关，公式如下：
Figure BDA0002313741340000033
式中，
Figure BDA0002313741340000034
为向上取整，N′0,3为认为设置的预迭代次数，取值范围为{100≤N′0,3≤200|N′0,3∈N*}，其中N*为正整数；其中剩余的明文SHA-256用于预加密中与密钥联系增强明文与中间密文的雪崩效应；
步骤二、预加密
任意选取一种现有的数字图像加密方式作为预加密方法得到类噪声的中间密文；
步骤三、有意义密文加密
(1)将封面图像运用整数离散小波变换得到一个近似矩阵CA和三个细节矩阵CH、CV、CD；
(2)将x0,3、r3、N0,3带入L-S混沌系统，先迭代N0,3次，再迭代6×(M+N)次生成序列T″，按下式将T″转换为范围在{1≤R6≤N|R6∈N*}、{1≤R7≤N|R7∈N*}的随机序列：
Figure BDA0002313741340000041
Figure BDA0002313741340000042
式中，M、N为封面图像的长度与宽度的二分之一；i为序列对应索引值；
(3)将CV、CD按R6、R7在每页进行右循环移位行列置乱得到C'V、C'D；
(4)将中间密文图像运用下式将百十位和个位分别与C'V、C'D的左上角m×n的矩阵进行加和得到C”V、C”D：
Figure BDA0002313741340000043
C″D(i,j,k)＝mod(TC(i,j,k),10)+C′D(i,j,k),i＝1,2,...,m,j＝1,2,...,n,k＝1,2,3；
其中，TC为中间密文，mod为取余函数；i,j,k为对应坐标，m,n为明文图像的长和宽；
(5)将C”V、C”D按R6、R7以左循环移位的方式在每页进行行列置乱得到C”'V、C”'D；
(6)运用CA、CH、C”'V、C”'D进行反离散小波变换得到有意义密文C。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、本发明在改善密文纹理特征的同时也保留好的抗噪声能力，还扩大了封面图像大小范围，实用性更强。
2、本发明运用明文的哈希值SHA-256作为密钥一部分，使得密钥流能随明文自适应变换，极大提高整个加密系统的抗选择明密文攻击能力。
3、实验分析验证本发明的方法对不同类型与形状的图像加密均有很强的安全性和实用性。
附图说明
图1为有意义图像加密原理；
图2为循环置乱；
图3为加密过程；
图4为加解密结果，(a)灰度封面图像girl with dog(1024×1024)，(b)彩色封面图像girl withdog(1024×1024×3)，(c)二值明文dragon，(d)中间密文，(e)密文，(f)解密图像，(g)彩色明文lean，(h)中间密文，(i)密文，(j)解密图像；
图5为有意义密文对比，(a)大小为明文4倍的不同的封面图像，(b)文献[26]的密文，(c)文献[27]的密文，(d)文献[28]的密文，(e)本发明的密文，(f)大小为明文8倍的不同的封面图像，(g)文献[28]的密文，(h)本发明的密文；
图6为引入噪声后的解密图像与明文相关系数与均方误差；
图7为加入噪声后的解密图，(a)文献[26]，(b)文献[27]，(c)文献[28]，(d)本发明方法；
图8为密钥敏感性分析，(a)Dx'0,3＝10-16，(b)Dx'0,3＝10-17，(c)ΔSHA＝1bit，(d)type＝db1；
图9为密文剪切解密图，(a)剪切1/16，(b)剪切1/8，(c)剪切1/4，(d)剪切1/2；
图10为选择明文攻击，(a)攻击图像，(b)破解图像。
注：
文献[26]：Bao L,ZhouY.Image encryption:Generating visually meaningfulencrypted images[J].Information Sciences,2015,324:197-207.
文献[27]：YangY G,ZhangY C,ChenX B,et al.Eliminating the texturefeatures in visuallymeaningful cipher images[J].Information Sciences,2017,429:102-119.
文献[28]：KansoA,GheblehM.An algorithm for encryption of secret imagesinto meaningful images[J].Optics and Lasers in Engineering,2017,90:196-208.
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种基于循环移位置乱和整数离散小波变换的有意义密文加密方法，所述方法包括如下内容：
一、加密原理
本发明加密的主要核心内容有两部分：1、有意义密文加密，2、所用混沌介绍。
1、有意义图像加密
其加密原理可以用图1表示，具体过程如下：
(1)将封面图像运用整数离散小波变换得到一个近似矩阵CA和三个细节矩阵CH、CV、CD；
(2)将CV、CD按照图2和所给的随机序列在每页进行右循环移位行列置乱C'V得到、C'D；
(3)将中间密文图像运用公式(1)和(2)将百十位和个位分别与C'V、C'D的左上角m×n的矩阵进行加和得到C”V、C”D；
Figure BDA0002313741340000071
C″D(i,j,k)＝mod(TC(i,j,k),10)+C′D(i,j,k),i＝1,2,...,m,j＝1,2,...,n,k＝1,2,3(2)；
其中，TC为中间密文，
Figure BDA0002313741340000072
为向上取整，mod为取余函数。
(4)将C”V、C”D以左循环移位的方式按所给的随机序列进行行列置乱得到C”'V、C”'D；
(5)运用CA、CH、C”'V、C”'D进行反离散小波变换得到有意义密文C。
2、级联混沌
高维的混沌系统用在加密系统中具有更高的安全性，但是这增加了方法的复杂性增加了加密时间。一维混沌Logistic、Tent、Sine具有快速动力特性强的特性，但是存在分布不均匀、有空白窗的问题。将他们之间两两级联很好的解决了这个问题，其中Logistic-Sine(L-S)级联公式如下：
Figure BDA0002313741340000073
其中，参数r
Figure BDA0002313741340000081
[0,4]、序列xn
Figure BDA0002313741340000082
[0,1]。这个级联混沌能够很好的解决了Logistic、Sine分布不均匀、存在空白窗的问题，并且具有更宽的混沌区域间以及更强的随机性。
二、图像加解密过程
1、图像加密过程
图像加密主要分为三步：(1)混沌初值、参数以及预迭代次数与明文SHA-256联系，(2)现有的数字图像加密的预加密，(3)基于小波变换的有意义密文加密。加密的过程如图3所示。
(1)混沌初值、参数以及预迭代次数与明文SHA-256联系。
本发明的方法用到的混沌的参数、初值以及预迭代次数都与明文哈希值SHA-256进行关联，使得混沌序列能随明文自适应变化，随着混沌序列变化，明文与中间密文之间具有强烈的雪崩效应，提高了抗选择明(密)文攻击的能力，实现“一个明文一个密钥”和“一次加密一个密钥”。同时SHA-256作为密钥也增加了密钥空间，能更好的抵御蛮力攻击。
将明文的256位哈希值每八位分为一组，可以表示为H＝h1,h2,...,h32；其中hi为hi＝[hi，0,hi，1,...,hi，7]。x0,3、r3根据公式(4)和(5)产生：
Figure BDA0002313741340000083
Figure BDA0002313741340000084
其中，x0,3、r3为L-S混沌的初值与参数。x'0,3、r'3为对应的人为设定的初值与参数。为了消除暂态效应预先迭代N′0,3次，N′0,3与对应初值、参数以及明文哈希值有关，公式如下：
Figure BDA0002313741340000091
其中，
Figure BDA0002313741340000092
为向上取整，N′0,3的取值范围为{100≤N′0,3≤200|N′0,3∈N*}。其中剩余的明文SHA-256可用于预加密中与密钥联系增强明文与中间密文的雪崩效应，更好的抵御选择明密文攻击。
(2)预加密
任意选取一种现有的数字图像加密方式作为预加密方法得到类噪声的中间密文。
(3)有意义密文加密
有意义密文加密的主要过程如加密原理所示，其中混沌序列由L-S产生，L-S混沌先迭代N0,3次，再迭代6×(M+N)次生成序列T″。再按式(7)、(8)将其转换为范围在{1≤R6≤N|R6∈N*}、{1≤R7≤N|R7∈N*}的随机序列：
Figure BDA0002313741340000093
Figure BDA0002313741340000094
其中M、N为封面图像的长度与宽度的二分之一。有意义密文加密的详细过程如表1所示。
表1
Figure BDA0002313741340000095
Figure BDA0002313741340000101
2、解密过程CA、CH、C”'V、C”'D
加密是解密的逆过程，首先将密文C和封面图像CO都进行整数离散小波变换得到两组不同细节信息，再对细节信息CV、CD和C”'V、C”'D进行行列右循环移位置乱得到C'V、C'D和C”V、C”D，带入式(9)求得中间密文TC。再放入选中的预加密的解密过程中得到解密图f。
Figure BDA0002313741340000102
三、实验分析
为了验证本方法的有效性和可行性，采用MATLAB R2016a作为仿真平台，设置密钥x'0,3＝0.92、r'3＝3.2、N'0,3＝150、小波变换类型选用s变换，文献[22]作为预加密方法，选取大小为256×256的彩色图和500×269的二值图作为明文，加解密结果如图4所示。
从图4可以看出，本发明提出的方法能加密不同类型和不同形状的图像，说明本发明的方法具有很强的实用性。中间密文经过基于离散小波变换的有意义图像加密得到视觉有意义的密文，在肉眼看来和封面图像基本相同，说明密文已经很接近封面图像，极大降低了密文在传输过程中被发现的可能。解密图像与明文在正确密钥的情况下完全相同，说明解密效果良好。
注：文献[22]：Lv X,Liao X,Bo Y.Bit-level plane image encryption basedon coupled map lattice withtime-varying delay[J].Modern Physics Letters B,2018,32(10):1850124.
1、性能分析
这里主要从以下几方面分析有意义密文加密的二次加密效果；一密文的纹理特征对比，二抗噪声攻击能力分析，三密钥敏感性分析，四密钥空间分析，五抗剪切攻击分析，六抗选择明文攻击。其中对比文献的预加密过程都不同，为了便于对比以后的分析都不进行预加密，选用lean(256×256)灰度图像作为有意义密文加密的明文。
(1)密文纹理特征对比分析
由于每个封面图像的统计特性不同，进行离散小波变换后得到的细节信息矩阵都不同，将明文信息嵌入到其中差值也不相同，加密出现纹理特征强弱就不同，运用不同的封面图像的加密效果如图5所示。为了更加精确的比较，计算出峰值信噪比(PSNR)和结构相似度(SSIM)进行定量的分析。
Figure BDA0002313741340000111
Figure BDA0002313741340000121
Figure BDA0002313741340000122
其中MSE为均方误差，f、F为明文和解密图像，
Figure BDA0002313741340000123
和
Figure BDA0002313741340000124
为对应图像像素值的均值，df、dF为图像的方差，dfF两图像协方差。峰值信噪比越大，结构相似性越接近1，两图像越相似。其中文献[28]和本发明的方法用到了不同大小的封面图像，本发明给出内容相同但是大小分别为明文图像的四倍和八倍的图像作为封面图像。其余加密方式都采用为明文图像四倍的封面图像。
由图5可见密文特征消除最好的为文献[26]的方法，本发明的方法与之相差不大，明显比其他的方法更好。封面图像为明文的4倍和8倍的PSNR和SSIM均值能达到31.9176、0.8340、37.9115、0.9317，同时还能以增加封面图像的大小来进一步提高其值，说明本发明的方法能很好的消除密文的纹理特征，能得到一个与封面图像非常接近的密文图像。
(2)抗噪声攻击对比分析
运用上文的密文用式(13)引入噪声，进行解密得到的解密图像，计算其与明文的相关系数(CC)和平均均方误差(MSE)如图6所示。
rm＝uint8(rm′(1+kG)) (13)
Figure BDA0002313741340000125
k为噪声强度，G为均值为0，方差为1的高斯噪声，uint8(x)为当x
Figure BDA0002313741340000131
[0,255]时四舍五入取整，x<0时取0，x>255取255。MSE越小、CC越接近1说明解密图像与明文相差越小，解密效果越好，加密系统鲁棒性更好。
无论封面图像多大其抗噪声能力一样，故图6中文献[28]和本发明的方法都和其它文献一样采用是明文四倍的封面图像。从图6中可见本发明的方法与文献[26]抗噪声能力相近，明显优于文献[27][28]。为了在视觉上更加直观的观察解密情况，给出k＝0.05时抗噪声能力最差的封面图像prairie的解密图，如图7所示。
由图7可见，本发明的方法和文献[26]还能较为清楚的看清楚明文信息，而其他改进方法得到的解密图像已经完全看不出明文信息。故本发明保留了较好的抵御噪声攻击能力。
经过对密文的纹理特征和方法的抗击噪声攻击能力的分析可以看出，文献[26]具有最好的抗噪声攻击能力，但密文具有很强的纹理特征。文献[27][28]很好的消除了纹理特征，但极大的降低了抗噪声攻击能力。本发明方法即改善了密文的纹理特征，还保留了原方法的抵御噪声攻击能力。通过置乱起到了进一步加密效果，增强了方法的安全性，还可以通过增大封面图像大小来进一步改善密文纹理特征，同时使得封面图像不在受到长宽必须为明文的二倍的约束条件，实用性更强。
(3)密钥敏感性分析
密钥敏感性指当密钥发生细微变化加密出来的密文应完全不同，同样两个具有微小差别的密钥解密结果也应该不同。运用图4(i)的密文在密钥发生微小变化时解密，解密效果如图8所示。
由图8可见，当混沌密钥x'0,3变化10-16时解密图像仍是一个类噪声图像，而x'0,3变化10-17时就可以看到明文信息，说明x'0,3的敏感度为10-16。同理其他混沌密钥r'3、N'03的敏感度为10-15、1。在图8中还可以看出明文的SHA-256改变一位比特、整数离散小波变换类型的改变得到的解密图像都为噪声，说明加密系统对这些密钥也非常敏感。由以上分析可得加密系统对混沌系统密钥、明文SHA-256以及整数离散小波变换类型都具有很高的敏感性。
(4)密钥空间分析
本发明的密钥包括混沌密钥(x'0,3、r'3、N'03)、明文SHA-256值h以及小波变换类型type。混沌密钥的预迭代次数为整数类型其余的双精度小数，由上面密钥分析可以得出最小敏感度为10-15，故保留小数后15位有效数字。本发明的密钥空间至少为200创1015′22256淮2.310109。同时这还是有意义加密部分的加密密钥，预加密过程的加密密钥也将算入其中，使得加密密钥空间更大。从安全的角度，密钥空间郴2100 1030就能满足较高的安全级别，所以本发明方法的密钥空间对穷举攻击是安全的。
(5)剪切攻击
将图4(i)所示密文图像剪切1/16、1/8、1/4和1/2的区域，并给出相应的解密图像如图9所示。
从图9可以看出，当数据丢失50％时，解密后的图像仍然可以识别，并且包含了大部分原始的视觉信息，这说明本发明的加密方法对裁剪攻击具有较强的鲁棒性。
(6)抗选择明密文攻击分析
由于选择明密文攻击对加密系统最有威胁，如果加密系统能够抵抗选择明密文攻击，则可以抵抗针对加密系统的其他攻击。因此，本发明用选择明文攻击来进一步测试系统的安全性。选择明文攻击，即攻击者已经知道加密和解密方法，并且可以任意选择明文，放入加密系统获取相应的密文，进而分析出密钥的过程。将图4(g)任意位置的像素值加1的图像作为攻击图像，得到对应的密钥流。并用其对图4(g3)密文解密，结果如图10所示。
从图10可见当攻击图像与待破解应得到的明文仅仅只有一个像素值差1，在肉眼都无法分辨的情况下，都无法攻击成功，足以表明在攻击图像差距更大的时候更没有破解成功的可能。这主要是由于密钥与明文的哈希值SHA256进行了联系，这使得每一个明密文对都有不同的密钥，从而产生不同的密钥流，达到一图一密的效果，使得用其他明密文对的密钥流去解密不同的密文而失去效果。如图10中的攻击图像和明文的哈希值分别为34d336607f972f4dd755681328d2e0b666fa0708526a686ea8ca9582475ea383和03d301011987ca5f194255ca8167c6ca1881272572f7ce9d08aaa589177e6254，这将得到不同的动态密钥。所以本发明的方法可以很好的抵御选择明密文攻击。
四、结论
本发明主要有两方面优点，一有意义密文加密的嵌入方式的改进使得方法既保留了较好的抗击噪声攻击能力，同时很好地消除了密文的纹理特征。该过程置乱的加入使得方法安全性再一次提高，可以通过增大封面图像的方式进一步改善密文的纹理特征，还扩宽了封面图像的大小范围，使得加密方法实用性更高。二将密钥与明文哈希值进行联系使得混沌序列能随明文自适应变化，增加了明文与中间密文之间的雪崩效应和抵御选择明密文攻击能力。明文的哈希值SHA256作为密钥的一部分增加了密钥空间，使得方法的抗蛮力攻击更强。通过实验可以看出，本发明方法的明文、密钥敏感性强，还能抵御常见的攻击方式，具有很强的实用性和安全性。

Claims (2)

1.一种有意义密文的图像加密方法，其特征在于所述图像加密方法包括如下步骤：
步骤一、混沌初值、参数以及预迭代次数与明文SHA-256联系
(1)将明文的256位哈希值每八位分为一组，表示为H＝h1,h2,...,h32；其中hi为hi＝[hi，0,hi，1,...,hi，7]；
(2)根据下式产生x0,3和r3：
Figure FDA0002313741330000011
Figure FDA0002313741330000012
式中，x0,3、r3为L-S混沌的初值与参数，x'0,3、r′3为对应的人为设定的初值与参数；
(3)为了消除混沌的暂态效应预先迭代N0,3次，N0,3与对应初值、参数以及明文哈希值有关，公式如下：
Figure FDA0002313741330000013
式中，
Figure FDA0002313741330000014
为向上取整，N′0,3为人为设置的预迭代次数，取值范围为{100≤N′0,3≤200|N′0,3∈N*}，其中N*为正整数；其中剩余的明文SHA-256用于预加密中与密钥联系增强明文与中间密文的雪崩效应；
步骤二、预加密
任意选取一种现有的数字图像加密方式作为预加密方法得到类噪声的中间密文；
步骤三、有意义密文加密
(1)将封面图像运用整数离散小波变换得到一个近似矩阵CA和三个细节矩阵CH、CV、CD；
(2)将x0,3、r3、N0,3带入L-S混沌系统，先迭代N0,3次，再迭代6×(M+N)次生成序列T″，按下式将T″转换为范围在{1≤R6≤N|R6∈N*}、{1≤R7≤N|R7∈N*}的随机序列：
Figure FDA0002313741330000021
Figure FDA0002313741330000022
式中，M、N为封面图像的长度与宽度的二分之一；i为序列对应索引值；
(3)将CV、CD按R6、R7在每页进行右循环移位行列置乱得到C'V、C'D；
(4)将中间密文图像运用下式将百十位和个位分别与C'V、C'D的左上角m×n的矩阵进行加和得到C″V、C″D：
Figure FDA0002313741330000023
C″D(i，j，k)＝mod(TC(i，j，k)，10)+C′D(i，j，k)，i＝1，2，...，m，j＝1，2，...，n，k＝1，2，3；
其中，TC为中间密文，mod为取余函数；i,j,k为对应坐标，m,n为明文图像的长和宽；
(5)将C″V、C”D按R6、R7以左循环移位的方式在每页进行行列置乱得到C″′V、C″′D；
(6)运用CA、CH、C″′V、C″′D进行反离散小波变换得到有意义密文C。
2.根据权利要求1所述的有意义密文的图像加密方法，其特征在于所述L-S混沌系统的级联公式如下：
Figure FDA0002313741330000031
其中，参数
Figure FDA0002313741330000032
序列
Figure FDA0002313741330000033
CN201911269387.XA 2019-12-11 2019-12-11 一种有意义密文的图像加密方法 Expired - Fee Related CN110944096B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911269387.XA CN110944096B (zh) 2019-12-11 2019-12-11 一种有意义密文的图像加密方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911269387.XA CN110944096B (zh) 2019-12-11 2019-12-11 一种有意义密文的图像加密方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110944096A CN110944096A (zh) 2020-03-31
CN110944096B true CN110944096B (zh) 2021-06-08

Family

ID=69910740

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911269387.XA Expired - Fee Related CN110944096B (zh) 2019-12-11 2019-12-11 一种有意义密文的图像加密方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110944096B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11757616B2 (en) 2021-09-18 2023-09-12 Dalian Unversity of Technology Image encryption method based on improved class boosting scheme

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014096363A1 (fr) * 2012-12-21 2014-06-26 Universite De Nantes Generateur de sequences chaotiques
CN106600518A (zh) * 2016-11-23 2017-04-26 河南大学 基于压缩感知的视觉安全和数据安全的图像加密、解密方法
CN109510917A (zh) * 2018-11-08 2019-03-22 广东工业大学 一种图像加密的方法、装置、设备以及存储介质

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014096363A1 (fr) * 2012-12-21 2014-06-26 Universite De Nantes Generateur de sequences chaotiques
CN106600518A (zh) * 2016-11-23 2017-04-26 河南大学 基于压缩感知的视觉安全和数据安全的图像加密、解密方法
CN109510917A (zh) * 2018-11-08 2019-03-22 广东工业大学 一种图像加密的方法、装置、设备以及存储介质

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于小波变换域混沌加密与循环移位的改进图像加密算法;包林霞等;《计算机应用研究》;20161031;第33卷(第10期);3074-3077 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN110944096A (zh) 2020-03-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108898025B (zh) 基于双重置乱和dna编码的混沌图像加密方法
CN106600518B (zh) 基于压缩感知的视觉安全和数据安全的图像加密、解密方法
CN104680476B (zh) 基于二维离散小波变换和时空混沌的彩色图像无损加密方法
CN106339976A (zh) 一种加密方法
CN107094072B (zh) 一种基于广义Henon映射的混合混沌加密方法
CN108322622A (zh) 一种基于2d-vmd和八维超混沌系统的彩色数字图像加密方法
CN110889877A (zh) 一种基于l-f级联混沌和3d比特置乱的图像加密方法
Liu et al. Cryptanalysis and enhancement of an image encryption scheme based on bit-plane extraction and multiple chaotic maps
CN107292805B (zh) 一种基于多参数分数阶离散Tchebichef变换的图像加密方法
CN114579993A (zh) 基于量子密钥分发和像素置乱的图像加密方法
Sharma et al. A new image encryption using modified aes algorithm and its comparision with aes
El Bourakkadi et al. Improved Vigenere approach incorporating pseudorandom affine functions for encrypting color images.
CN116886270B (zh) 一种基于国密算法与双混沌系统的三波段加密方法
CN110944096B (zh) 一种有意义密文的图像加密方法
Atee et al. Cryptography and image steganography using dynamic encryption on LSB and color image based data hiding
Alhassan et al. Enhancing image security during transmission using residue number system and k-shuffle
CN109559269B (zh) 一种图像加密的方法及终端
Naik et al. An image cryptosystem based on diffusion of significant bit-planes of a scrambled image with generated binary key matrices
Wazery et al. A hybrid technique based on RSA and data hiding for securing handwritten signature
CN116016795A (zh) 基于变步长抽取随机数和改进ZigZag变换的图像加密方法
El Abbadi et al. Digital RGB image encryption based on 2D cat map and shadow numbers
Msallam et al. Multistage Encryption for Text Using Steganography and Cryptography
Mostafa et al. A new chaos based medical image encryption scheme
Ariyanto et al. Performance Analysis of LSB Image Steganography Combined with Blowfish-RC4 Encryption in Various File Extensions
CN115208549A (zh) 一种基于Paillier同态加密的JPEG图像可逆信息隐藏方法及系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20210608

Termination date: 20211211