CN111310220B - 基于新型三维矢量分解的彩色图像加密方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于新型三维矢量分解的彩色图像加密方法。该加密方法将彩色图像进行混沌中的置乱和扩散操作，随后作为保真分数哈特莱变换的输入，得到实数输出，将得到的彩色图像进行三维矢量分解，得到密文和私钥。其中的三维矢量分解将一个三维矢量在任意平面上分解为任意大小的两个三维矢量。该三维矢量分解具有实现彩色图像整体加密的特点，该特点使得整个加密方法降低了彩色图像每个通道单独加密中单通道攻击的风险，避免了彩色图像每个通道顺序加密的最后通道易攻击的弱点。该加密方法的输出为实数，方便存储和传输，并且密钥空间大，密钥敏感性高，对各种攻击具有很强的鲁棒性。数值仿真证明了该方法的安全性和有效性。

Description

基于新型三维矢量分解的彩色图像加密方法

技术领域

本发明涉及一种信息安全和信息光学技术领域，特别是彩色图像加密方法。

背景技术

随着信息时代的到来，信息安全受到了越来越多的重视。图像往往能提供丰富的信息，因此图像加密成为一个至关重要的问题。2015年蔡提出了基于等模分离(EMD)的图像加密方法，该方法将一个二维矢量分解为两个二维矢量，为图像加密提供了安全的单向活板门函数，因此被广泛应用于灰度图像加密中。而彩色图像比灰度图像具有更充足的信息，彩色图像加密的数据量庞大，传输起来具有很大的负担，而保真分数哈特莱变换(RPFrHT)具有实数输出的特点，相比于复数输出减少了数据量。现如今的彩色图像加密一般采用两中方法，一种是针对每个通道进行单独加密，这样攻击出了其中的一个通道就能获得大部分的图像信息，另一种是对每个通道依次进行加密，这会导致最后加密的通道具有最容易被攻击出的弱点。因此，彩色图像加密仍有很大的研究潜力。

发明内容

本发明针对上述传统彩色图像加密技术产生的通道安全性不高、数据量大等问题，提出一种基于新型三维矢量分解的彩色图像加密方法。所提出的3DVD能实现彩色图像整体加密。该方法减少了传统彩色图像加密中的单通道攻击的风险，避免了传统彩色图像加密中的后加密先攻击的弱点。该方法密钥空间大，密钥敏感性高，能有效抵抗各种攻击。该方法包括加密和解密两个过程。

所述的彩色图像加密和解密过程如图1所示。加密过程分四个步骤：①将彩色图像进行混沌置乱操作，②在置乱后的图片前插入一列随机序列再进行混沌扩散操作，③将扩散后的图片做RPFrHT，④3DVD。解密过程分四个步骤，①逆3DVD，②逆RPFrHT，③逆扩散操作，④逆置乱操作。

所述的彩色图像混沌置乱操作是将彩色图像的R、G、B通道排列成M×3N大小img，对img进行置乱，其结果为C＝Scrambling(img),Scrambling{·}表示对img置乱。

所述的插入随机序列再进行混沌扩散操作是在C前插入一列随机数列得到R，对R进行扩散得到B，B＝Diffusion(C，R)，Diffusion{·}表示插入R对C进行扩散操作。

所述的RPFrHT表示舍去B的第一列，并且转换为M×N×3的图片X并对其做保真分数哈特莱变换，得到结果y＝RPFrHT{X}，其中RPFrHT{·}表示保真分数哈特莱变换。

所述的3DVD是将y旋转道z轴在任意平面以任意大小进行三维矢量分解，分解后的矢量再旋转道原始平面，得到密文和私钥[cipher,PK]＝3DVD(y),其中3DVD{·}表示三维矢量操作，其中:

其中x₁’＝r/2·tan(ξ)·sin(η),y₁’＝r/2·tan(ξ)·cos(η),z₁’＝z₂’＝r/2,x₂’＝-x₁’,y₂’＝-y₁’。其中r为被分解矢量的模，ξ为分解后矢量与被分解矢量的夹角，η为旋转后分解平面法向量和矢量(1，0，0)的夹角。

所述的逆3DVD是将密文和私钥相加，得到D_y＝cipher+PK。

所述的逆RPFrHT是对D_y做逆保真分数哈特莱变换，得到D_x＝IRPFrHT{D_y},其中IRPFrHT{·}表示逆保真分数哈特莱变换。

所述的逆扩散操作是将D_x转换为M×3N大小，将加密过程中C的第一列随机序列加入到D_x的第一列中，其结果为D_B，对其做逆扩散操作，得到D_R。

所述的逆置乱是舍去D_R的第一列，得到D_C，对D_C进行逆置乱，在转换为M×N×3大小，得到解密图像D_img。

该方法的有益效果在于：所提出的3DVD能实现彩色图像整体加密。该方法减少了传统彩色图像加密中的单通道攻击的风险，避免了传统彩色图像加密中的后加密先攻击的弱点，密钥空间大，密钥敏感性高，能有效抵抗各种攻击。

附图说明

附图1为本发明的解密和解密过程示意图。

附图2为本发明中3DVD的分解示意图。

附图3为3DVD和传统彩色图像加密的流程对比图。

附图4为本发明中各个通道的加解密图。

具体实施方式

下面详细说明本发明一种基于三维矢量分解的彩色图像加密方法的一个典型实施例，对该方法进行进一步的具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于该方法做进一步的说明，不能理解为对该方法保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述该方法内容对该方法做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

本发明提出一种基于三维矢量分解的彩色图像加密方法，该方法包括加密和解密两个过程。

所述的彩色图像加密和解密过程如图1所示。加密过程分四个步骤：①将彩色图像进行混沌置乱操作，②在置乱后的图片前插入一列随机序列再进行混沌扩散操作，③将扩散后的图片做RPFrHT，④3DVD。解密过程分四个步骤，①逆3DVD，②逆RPFrHT，③逆扩散操作，④逆置乱操作。

所述的彩色图像混沌置乱操作是将彩色图像的R、G、B通道排列成M×3N大小img，对img进行置乱，其结果为C＝Scrambling(img),Scrambling{·}表示对img置乱。

所述的插入随机序列再进行混沌扩散操作是在C前插入一列随机数列得到R，对R进行扩散得到B，B＝Diffusion(C，R)，Diffusion{·}表示插入R对C进行扩散操作。

所述的RPFrHT表示舍去B的第一列，并且转换为M×N×3的图片X并对其做保真分数哈特莱变换，得到结果y＝RPFrHT{X}，其中RPFrHT{·}表示保真分数哈特莱变换。

所述的3DVD是将y旋转道z轴在任意平面以任意大小进行三维矢量分解，分解后的矢量再旋转道原始平面，得到密文和私钥[cipher,PK]＝3DVD(y),其中3DVD{·}表示三维矢量操作，其中:

其中x₁’＝r/2·tan(ξ)·sin(η),y₁’＝r/2·tan(ξ)·cos(η),z₁’＝z₂’＝r/2,x₂’＝-x₁’,y₂’＝-y₁’。其中r为被分解矢量的模，ξ为分解后矢量与被分解矢量的夹角，η为旋转后分解平面法向量和矢量(1，0，0)的夹角。

所述的逆3DVD是将密文和私钥相加，得到D_y＝cipher+PK。

所述的逆RPFrHT是对D_y做逆保真分数哈特莱变换，得到D_x＝IRPFrHT{D_y},其中IRPFrHT{·}表示逆保真分数哈特莱变换。

所述的逆扩散操作是将D_x转换为M×3N大小，将加密过程中C的第一列随机序列加入到D_x的第一列中，其结果为D_B，对其做逆扩散操作，得到D_R。

所述的逆置乱是舍去D_R的第一列，得到D_C，对D_C进行逆置乱，在转换为M×N×3大小，得到解密图像D_img。

本发明的实例中，采用256*256*3的彩色图像Lena。如图2所示为3DVD的分解示意图。图3为3DVD和传统彩色图像加密的流程对比图，所提出的3DVD能实现彩色图像整体加密。由此可见，该发明减少了传统彩色图像加密中的单通道攻击的风险，避免了传统彩色图像加密中的后加密先攻击的弱点。图4分别是R、G和B通道所对应的加解密图。

Claims (1)

1.基于新型三维矢量分解的彩色图像加密方法，其特征在于，该方法包括加密和解密过程两个部分；所述的加密过程具体描述为：步骤一，将彩色图像的R、G、B通道排列成M×3N大小img，对img进行置乱，其结果为C＝Scrambling(img),Scrambling{·}表示对img置乱；步骤二，在C前插入一列随机数列得到R，对R进行扩散得到B，B＝Diffusion(C，R)，Diffusion{·}表示插入R对C进行扩散操作；步骤三，舍去B的第一列，并且转换为M×N×3的图片X并对其做保真分数哈特莱变换，得到结果y＝RPFrHT{X}，其中RPFrHT{·}表示保真分数哈特莱变换；步骤四，将y旋转道z轴在任意平面以任意大小进行三维矢量分解，分解后的矢量再旋转道原始平面，得到密文和私钥[cipher,PK]＝3DVD(y),其中3DVD{·}表示三维矢量操作；所述的解密过程具体描述为：步骤一，将密文和私钥相加，得到D_y＝cipher+PK；步骤二，对D_y做逆保真分数哈特莱变换，得到D_x＝IRPFrHT{D_y},其中IRPFrHT{·}表示逆保真分数哈特莱变换；步骤三，将D_x转换为M×3N大小，将加密过程中C的第一列随机序列加入到D_x的第一列中，其结果为D_B，对其做逆扩散操作，得到D_R；步骤四，D_R的第一列，得到D_C，对D_C进行逆置乱，在转换为M×N×3大小，得到解密图像D_img；所述的新型三维矢量分解，具体为：

其中x₁’＝r/2·tan(ξ)·sin(η),y₁’＝r/2·tan(ξ)·cos(η),z₁’＝z₂’＝r/2,x₂’＝-x₁’,y₂’＝-y₁’，其中r为被分解矢量的模，ξ为分解后矢量与被分解矢量的夹角，η为旋转后分解平面法向量和矢量(1，0，0)的夹角。