CN111131656B - 基于位级置乱和动态叠加扩散的图像加密方法 - Google Patents

Abstract

基于位级置乱和动态叠加扩散的图像加密方法，涉及图像加密技术领域，解决现有图像加密效率与安全性相互矛盾的问题，本发明提出的基于位级置乱和动态叠加扩散的图像加密方法，包括加密过程和解密过程，本发明的置乱过程中把像素平面转换为位级平面，在位级平面的基础上进行比特级像素置乱，扩散部分采用动态叠加扩散方法，对像素进行重叠扩散操作，提升了扩散效率，大大减少了加密时间，在保证运算速度的情况下，达到安全的加密效果。

Description

基于位级置乱和动态叠加扩散的图像加密方法

技术领域

本发明涉及图像加密技术领域，具体涉及一种基于位级置乱和动态叠加扩散的图像加密方法。

背景技术

随着图像加密领域的不断发展，以及在科技、医疗、军事等领域的渗透，越来越多的图像加密算法不断涌现，针对不同行业对加密的不同需求，算法所要解决的问题的侧重点也不尽相同。比如在医疗行业，每天都会产生很多医学图像，为了保护病人的隐私，就需要对医学图像进行保密处理，对图像进行批量加密然后进行存储，这就对加密效率有了一定的要求。普通的图像加密步骤是使用传统的置乱-扩散机制，使用置乱过程把像素打乱，进行位置的变换，扩散过程是改变像素值的大小，以便于隐藏明文的相关信息。虽然普通的加密方法可以达到较好的加密效果，但加密的效率却不高。为了提高图像的安全性，许多算法以增加复杂度为基础，但牺牲了加密的时间效率。

发明内容

本发明为解决现有图像加密效率与安全性相互矛盾的问题，提供一种基于位级置乱和动态叠加扩散的图像加密方法。

基于位级置乱和动态叠加扩散的图像加密方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、选择大小为M×N的灰度图像作为原始图像Image；

步骤二、将步骤一所述的原始图像Image中的每个像素的像素值采用8位二进制数表示，生成位级矩阵Image_bn；

步骤三、将步骤二所述的位级矩阵Image_bn进行矩阵变换，转换为一维位级序列Simage_bn；

步骤四、将步骤三所述一维位级序列Simage_bn按照序列置乱密钥合并为大小为(M×N)×8的组合矩阵Himage；

步骤五、依次提取所述组合矩阵Himage中的每八位二进制位，转换为十进制数，生成十进制组合矩阵DHimage；

步骤六、将步骤五中所述的组合矩阵DHimage进行矩阵变换，变形大小为

的分割矩阵Fimage，m为分割块大小，m为能够被M与N整除的正整数；

步骤七、将步骤六所述的分割矩阵Fimage按照矩阵分割步长ST，分割成F个m×m大小的置乱块ZB_j，j＝1，2，...，F；

步骤八、迭代混沌系统，并将迭代结果映射为0到255之间的正整数，获得大小为

的混沌分割矩阵FCM；

步骤九、将步骤八获得的混沌分割矩阵FCM分别以混沌矩阵分割步长ST，分割成大小为m×m的混沌块BFCM_j；

步骤十、对步骤七所述的置乱块ZB_j与步骤九所述混沌块BFCM_j进行扩散操作，获得扩散图像块KB_j；

步骤十一、将扩散图像块KB_j按照矩阵分割步长ST，排列成大小为

扩散矩阵KM；

步骤十二、将扩散循环次数r减1，判断所述扩散循环次数r是否为0，如果是，则执行步骤十三，如果否，将步骤十一所述的扩散矩阵KM赋值给所述分割矩阵Fimage，执行步骤七；

步骤十三、将扩散矩阵KM进行矩阵变形，转化为M×N的加密图像Enimage。

本发明的有益效果：本发明提出的基于位级置乱和动态叠加扩散的图像加密解密方法，置乱过程把像素平面转换为位级平面，在位级平面的基础上进行比特级像素置乱，扩散部分采用动态叠加扩散方法，对像素进行重叠扩散操作，提升了扩散效率，大大减少了加密时间，在保证运算速度的情况下，达到安全的加密效果。

附图说明

图1为本发明所述的基于位级置乱和动态叠加扩散的图像加密方法中加密过程流程图；

图2为本发明所述的基于位级置乱和动态叠加扩散的图像加密方法中解密过程流程图；

图3为采用本发明所述的基于位级置乱和动态叠加扩散的图像加密方法进行加密解密方法效果图：其中图3A为“辣椒”原始图像；其中图3B为“辣椒”图像的加密后效果图；其中图3C为“辣椒”图像最终的解密结果图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图3说明本实施方式，基于位级置乱和动态叠加扩散的图像加密方法，该方法由以下步骤实现：

基于位级置乱和动态叠加扩散的图像加密方法，由以下步骤实现：

步骤一、以大小为M×N的灰度图像作为原始图像Image。

步骤二、将原始图像Image中的每个像素的像素值表示为8位二进制数，生成位级矩阵Image_bn。

步骤三、将步骤二所述位级矩阵Image_bn进行矩阵变换，转换为一维位级序列Simage_bn。

步骤四、将步骤三所述一维位级序列Simage_bn按照序列置乱密钥合并为大小为(M×N)×8的组合矩阵Himage。即把矩阵的每列看成一个单位进行置乱，将矩阵置乱过程中的位置移动顺序记为序列置乱密钥，SZkey＝{L₁，L₂，...，L_i}，i＝8，L_i∈(1，2，3，4，5，6，7，8)为移动位置，且L₁≠L₂≠L₃≠L₄≠L₅≠L₆≠L₇≠L₈。

步骤五、依次提取Himage中的每八位二进制位，转换为十进制数，生成十进制组合矩阵DHimage。

步骤六、将DHimage进行矩阵变换，变形为大小为

的分割矩阵Fimage，m为分割块大小，为可被M与N整除的正整数。

步骤七、分割矩阵Fimage按照矩阵分割步长ST，分割成F个m×m大小的置乱块ZB_j(j＝1，2，...，F)。

步骤八、迭代混沌系统，并将迭代结果映射为0到255之间的正整数，得到大小为

的混沌分割矩阵FCM。

步骤九、将混沌分割矩阵FCM分别以混沌矩阵分割步长ST，分割成大小为m×m的混沌块BFCM_j。

步骤十、对步骤七所述置乱块ZB_j与步骤九所述混沌块BFCM_j进行扩散操作得扩散图像块KB_j。

步骤十一、将扩散图像块KB_j按照矩阵分割步长ST，排列为大小为

扩散矩阵KM。

步骤十二、将扩散循环次数r减1，判断r是否为0，当r为0则执行步骤十三，当r不等于0则将扩散矩阵KM赋值给分割矩阵Fimage，执行步骤七。

步骤十三、将扩散矩阵KM进行矩阵变形，转化为大小为M×N的加密图像Enimage；

本实施方式中，还包括图像解密方法，由以下步骤实现：

步骤十四、将加密后的图像Enimage按照步骤七所述的方法进行矩阵分割，分割成F个m×m大小的置乱块ZB_j ^*(j＝1，2，...，F)，m为分割块大小，为可被M与N整除的正整数(M与N为图像Enimage大小)。

步骤十五、使用与步骤八和步骤九相同的方法生成混沌分割矩阵块BFCM_j ^*。

步骤十六、对步骤十四所述置乱块ZB_j ^*与步骤十五所述混沌块BFCM_j ^*进行扩散操作得扩散图像块KB_j ^*。

步骤十七、将扩散图像块KB_j ^*按照矩阵分割步长ST，排列为大小为

扩散矩阵KM^*。

步骤十八、将扩散循环次数r减1，判断r是否为0，当r为0则执行步骤十九，当r不等于0则将扩散矩阵KM^*赋值给矩阵Enimage执行步骤十四。

步骤十九、将KM^*进行矩阵变换，变形为大小为M×N的矩阵DHimage^*。

步骤二十、将矩阵DHimage^*根据步骤二与步骤三的方法变为二进制矩阵，并根据步骤四中序列置乱密钥的逆序进行重新排序，得到矩阵Himage^*。

步骤二十一、依次提取Himage^*中的每八位二进制位，转换为十进制数，将矩阵变形为M×N大小的矩阵，得到解密图像，记为Image^*。

具体实施方式二、结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的基于位级置乱和动态叠加扩散的图像加密方法的实施例：

步骤一、以大小为M×N的灰度图像“辣椒”作为原始图像Image，本实施例中M＝256，N＝256，如附图3A所示；

步骤二、将原始图像Image中的每个像素的像素值表示为8位二进制数，生成位级矩阵Image_bn，具体实施例方法如下：

提取Image中每个像素的像素值8位二进制数的第八位组成第1个位级矩阵，第七位组成第2个位级矩阵，以此类推取到第一位，共生成8个位级矩阵，如公式(1)所示：

Image_bn＝bitget(Image，9-bn) (1)

其中，bitget为提取位值函数，Image_bn为第bn个位级矩阵，bn＝1，2，...，8。

步骤三、将步骤二所述位级矩阵Image_bn进行矩阵变换，转换为一维位级序列Simage_bn。本实施方式中将Image_bn(bn＝1，2，...，8)分别按照从上到下从左到右的顺序转换为8个一维位级序列Simage_bn。

步骤四、将步骤三所述一维位级序列Simage_bn按照序列置乱密钥，本实施例中序列置乱密钥为SZkey＝{7，5，6，8，3，1，2，4}，合并为大小为(M×N)×8的组合矩阵Himage，具体方法如公式(2)所示：

Himage＝[Simage_SZkey(1)，Simage_SZkey(2)，......，Simage_SZkey(8)] (2)

步骤五、依次提取Himage中的每八位二进制位，转换为十进制数，生成十进制组合矩阵DHimage，具体方法如公式(3)所示：

DHimage(mn)＝bin2dec(Himage(mn)) (3)

其中mn＝1，2，...，M×N，bin2dec为二进制转换为十进制的变换函数。

步骤六、将DHimage进行矩阵变换，变形为大小为

的分割矩阵Fimage，m为分割块大小，为可被M与N整除的正整数，方法如公式(4)所示：

本实施例中m＝16。

步骤七、将矩阵Fimage分割成F个m×m大小的置乱块ZB_j(j＝1，2，...，F)。按照公式(5)所示方法进行分割：

ST为矩阵分割步长，本实施例中ST＝11；块大小为m×m，本实施例中，m＝16，共分割成F个置乱块ZB_j。经过计算本实施例中F＝372，j＝1，2，...，F。

步骤八、迭代混沌系统，并将迭代结果映射为0到255之间的正整数，得到的混沌矩阵FCM_r，大小为

本实施例中用到的混沌系统为6阶超混沌细胞神经网络模型，状态方程如下：

其中p₄＝0.5(|x₄+1|-|x₄-1|)，当t→∞时，6个Lyapunov指数中有两个大于零的，因此该系统为超混沌系统，本实施例中取混沌系统初值为x₁(0)＝0.1，x₂(0)＝0.2，x₃(0)＝0.3，x₄(0)＝0.4，x₅(0)＝0.5，x₆(0)＝0.6

本实施例中，迭代混沌系统tc次生成矩阵CNN。

将矩阵CNN的元素值映射为0到255之间的正整数，方法如公式(7)所示：

其中，

CNN255_max＝255，CNN255_min＝0，xmax＝max(CNN)，

xmin＝min(CNN)，round()为四舍五入取整函数，max()为取最大值函数，

min()为取最小值函数。舍弃CNN255前tt行，从第tt+1行开始，取CN个CNN255中大小为

的元素，将此矩阵记为混沌矩阵FCM。

步骤九、将混沌矩阵FCM分割成F个大小为m×m的混沌块BFCM_j。

分割方法公式(8)所示：

其中，ST为混沌矩阵分割步长，本实施例中ST＝10。

步骤十、对步骤七所述置乱块ZB_j与步骤九所述混沌块BFCM_j进行扩散操作得扩散图像块KB_j，方法如公式(9)所示：

其中，

表示按位异或操作。

步骤十一、将扩散图像块KB_j按照矩阵分割步长ST，排列为大小为

扩散矩阵KM。

其中，

rem为求余函数。

步骤十二、将扩散循环次数r减1，判断r是否为0，当r为0则执行步骤十三，当r不等于0则将扩散矩阵KM赋值给分割矩阵Fimage，执行步骤七，本实施例中r＝7。

步骤十三、将扩散矩阵Fimage进行矩阵变形，转化为大小为256×256的加密图像Enimage，如附图3B所示。本实施例中矩阵变形方法为从上到下从左到右重排。

步骤十四、将加密后的图像Enimage按照步骤七所述的方法进行矩阵分割，分割成F个m×m大小的置乱块ZB_j ^*(j＝1，2，...，F)，m为分割块大小，为可被M与N整除的正整数(M与N为图像Enimage大小)，经过计算本实施例中F＝372。

步骤十五、使用与步骤八和步骤九相同的方法生成混沌分割矩阵块BFCM_j ^*。

步骤十六、对步骤十四所述置乱块ZB_j ^*与步骤十五所述混沌块BFCM_j ^*进行扩散操作得扩散图像块KB_j ^*，方法如公式(11)所示：

步骤十七、将扩散图像块KB_j ^*按照步骤十一所述方法，排列为大小为m×FF

步骤十八、将扩散循环次数r减1，判断r是否为0，当r为0则执行步骤十九，当r不等于0则将扩散矩阵KM^*赋值给矩阵Enimage执行步骤十四。

步骤十九、将KM^*进行矩阵变换，变形为大小为M×N的矩阵DHimage^*。

步骤二十、将矩阵DHimage^*根据步骤二与步骤三的方法变为二进制矩阵，并根据步骤四中序列置乱密钥的逆序进行重新排序，得到矩阵Himage^*，本实施例中序列置乱密钥的逆序为SZkey^*＝{6，7，5，8，2，3，1，4}。

步骤二十一、依次提取Himage^*中的每八位二进制位，转换为十进制数，将矩阵变形为M×N大小的矩阵，得到解密图像，记为Image^*。

Claims (4)

1.基于位级置乱和动态叠加扩散的图像加密方法，其特征是：该方法由以下步骤实现：

步骤一、选择大小为M×N的灰度图像作为原始图像Image；

步骤二、将步骤一所述的原始图像Image中的每个像素的像素值采用8位二进制数表示，生成位级矩阵Image_bn；

具体过程为：将原始图像Image中每个像素的像素值均采用8位二进制数表示，将每个8位二进制数的第八位组成第1个位级矩阵，第七位组成第2个位级矩阵，以此类推取到第一位，共生成8个位级矩阵，用下式表示为：

Image_bn＝bitget(Image，9-bn)

其中，bitget为提取位值函数，Image_bn为第bn个位级矩阵，bn＝1，2，...，8；

步骤三、将步骤二所述的位级矩阵Image_bn进行矩阵变换，转换为一维位级序列Simage_bn；

步骤四、将步骤三所述一维位级序列Simage_bn按照序列置乱密钥合并为大小为(M×N)×8的组合矩阵Himage；

步骤五、依次提取所述组合矩阵Himage中的每八位二进制位，转换为十进制数，生成十进制组合矩阵DHimage；

步骤六、将步骤五中所述的组合矩阵DHimage进行矩阵变换，变形大小为

的分割矩阵Fimage，m为分割块大小，m为能够被M与N整除的正整数；

步骤七、将步骤六所述的分割矩阵Fimage按照矩阵分割步长ST，分割成F个m×m大小的置乱块ZB_j，j＝1，2，...，F；

步骤八、迭代混沌系统，并将迭代结果映射为0到255之间的正整数，获得大小为

的混沌分割矩阵FCM；

步骤九、将步骤八获得的混沌分割矩阵FCM分别以混沌矩阵分割步长ST，分割成大小为m×m的混沌块BFCM_j；

步骤十、对步骤七所述的置乱块ZB_j与步骤九所述混沌块BFCM_j进行扩散操作，获得扩散图像块KB_j；

步骤十一、将扩散图像块KB_j按照矩阵分割步长ST，排列成大小为

扩散矩阵KM；

步骤十二、将扩散循环次数r减1，判断所述扩散循环次数r是否为0，如果是，则执行步骤十三，如果否，将步骤十一所述的扩散矩阵KM赋值给所述分割矩阵Fimage，执行步骤七；

步骤十三、将扩散矩阵KM进行矩阵变形，转化为M×N的加密图像Enimage。

2.根据权利要求1所述的基于位级置乱和动态叠加扩散的图像加密方法，其特征在于：步骤四中所述的序列置乱密钥为：

即把组合矩阵Himage的每列作为一个单位进行置乱，将组合矩阵Himage置乱过程中的位置移动顺序记为序列置乱密钥，SZkey＝{L₁，L₂，...，L_i}，i＝8，L_i∈(1，2，3，4，5，6，7，8)，L_i为移动位置。

3.根据权利要求1所述的基于位级置乱和动态叠加扩散的图像加密方法，其特征在于：步骤六中，所述分割矩阵Fimage用下式表示为：

4.根据权利要求1所述的基于位级置乱和动态叠加扩散的图像加密方法，其特征在于，还包括解密方法，由以下步骤实现：

步骤A、将步骤十三加密后的图像Enimage按照步骤七所述的方法进行矩阵分割，分割成F个m×m大小的置乱块ZB_j ^*，j＝1，2，...，F；

步骤B、迭代混沌系统，获得大小为

的混沌分割矩阵BFCM，将所述混沌分割矩阵BFCM以混沌矩阵分割步长ST，分割成大小为m×m的混沌块BFCM_j ^*；

步骤C、对步骤A所述的置乱块ZB_j ^*与步骤B所述混沌块BFCM_j ^*进行扩散操作，获得扩散图像块KB_j ^*；

步骤D、将扩散图像块KB_j ^*按照矩阵分割步长ST，排列为

的扩散矩阵KM^*；

步骤E、将扩散循环次数r减1，判断所述扩散循环次数r是否为0，如果是，则执行步骤F，如果否，将步骤D所述的扩散矩阵KM^*赋值给所述分割矩阵Enimage，执行步骤A；

步骤F、将KM^*进行矩阵变换，变形为大小为M×N的矩阵DHimage^*，将所述矩阵DHimage^*转换为二进制矩阵，并根据步骤四中序列置乱密钥的逆序进行重新排序，获得逆矩阵Himage^*；

步骤G、依次提取步骤F中逆矩阵Himage^*中的每八位二进制数，并转换为十进制数，将逆矩阵变形为M×N的矩阵，获得解密图像Image^*。

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