CN112261239B

CN112261239B - 一种基于pud自适应分解的明文相关图像加密方法

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Publication number: CN112261239B
Application number: CN202010988855.5A
Authority: CN
Inventors: 吴永飞; 刘西林; 岳俊宏; 周稻祥; 高佩婷; 李明
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2020-09-18
Filing date: 2020-09-18
Publication date: 2022-05-17
Anticipated expiration: 2040-09-18
Also published as: CN112261239A

Abstract

本发明涉及一种基于PUD自适应分解的明文相关图像加密方法，将明文图像进行自适应PUD分解，对分解后的二维分量进行置乱‑扩散操作。本方法采用的加密密钥与明文相关，获得加密图像能够高效的抵抗选择明文攻击，选择密文攻击，同时对滤波噪声攻击，剪切攻击以及差分攻击方面有较强的鲁棒性，进一步提高加密图像的安全性和鲁棒性，可应用于图像安全、图像保密通信领域。

Description

一种基于PUD自适应分解的明文相关图像加密方法

技术领域

本发明涉及图像加密技术领域，更具体地说，涉及一种基于PUD 自适应分解的明文相关图像加密方法。

背景技术

随着计算机网络和通信技术的迅猛发展，多媒体内容如数字图像，视频序列和音频信号的使用和交换呈现出爆炸性增长的趋势。而作为视觉多媒体内容的数字图像已被广泛用于许多领域，包括医疗，商业和军事。针对这些应用，数字图像通过公共通道传输以及在云平台上存储必须保证图像的安全性，并且只能由授权机构访问。因此，数字图像的安全性问题变得越来越重要，已经成为一个亟待解决的问题。

数字图像不同于传统的文本消息，其具有数据容量大、相邻像素间相关性强、冗余度高等特性，因此，传统文本加密算法如AES、 DES等不再适用于图像加密。目前，图像加密方法可以大体上分为基于空间域和基于变换域两类加密方法。在这两类加密域中通常使用的加密操作为置乱-扩散操作。由于基于空间域的加密算法通常具有有限的密钥空间并且对于经典的统计攻击是不安全的中的排列扩，因此，基于空间域的加密算法不能满足安全性要求。为了克服这些限制，在变换域中使用基于置换扩散的图像加密技术，例如傅里叶变换(FT)，离散余弦变换(DCT)和离散小波变换(DWT)，可实现更好的安全性。然而，由于这些基于变换域的加密算法在变换图像的过程中通常使用固定的基函数(三角函数，小波函数)，因此基于变换域的图像加密算法也存在着安全性低易于被破解的风险。

为了设计安全性强的图像加密方法，基于传统的变换域(如离散 FT变换、DCT变换、DWT变换等)对图像进行加密很难进一步提高算法的安全性和可靠性。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了基于PUD自适应分解的明文相关图像加密方法，该方法对噪声攻击，剪切和差分攻击方面有较强的鲁棒性，可应用于图像加密保护、图像保密通信领域。

本发明通过以下技术方案实现：本发明提供一种基于PUD自适应分解的明文相关图像加密方法，包括步骤：

步骤1)取待加密的原始明文图像，设置分解次数为N，利用伪随机数生成器生成伪随机序列；

步骤2)对原始明文图像进行PUD自适应分解：

根据PUD分解技术对原始明文图像分解，得到三部分分量，分别为一个二维分量，两个一维分量以及原始明文图像的灰度平均值；

步骤3)图像加密操作：

对原始明文图像分解后得到的二维分量，采用置乱-扩散的方式对其进行加密，采用的密钥是灰度平均值和经过随机化操作的两个一维分量，最终得到加密图像。

其中，步骤1)利用伪随机数生成器生成伪随机序列的步骤中，采用伪随机数生成器产生256比特大小的伪随机数序列。

其中，步骤1)获取待加密的原始明文图像之后，包括对所述原始明文图像进行插值化的步骤，以将所述原始明文图像转化为像素值格式为M*M的格式。

其中，在步骤2)对原始明文图像进行PUD自适应分解，得到两个一维分量后，包括步骤：

对两个一维分量F₁,G₁随机化操作，分别与所述伪随机数生成器生成的伪随机序列执行异或操作，得到新的一维分量F₂,G₂。

其中，步骤3)具体包括以下步骤：

步骤3a)使用置乱算法将二维分量的像素值进行全局置乱，改变相邻像素的相似性关系；

步骤3b)采用扩散算法，对置乱后的二维分量的像素值进行改变，使得加密后的像素值与初始二维分量像素值不同，保证图像的安全性。

其中，置乱算法为Arnold变换。

其中，扩散算法采用异或操作的方式。

其中，加密算法与解密算法相对应，在图像解密算法中，相反操作来正确恢复解密图像。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提出基于PUD自适应分解的明文相关图像加密算法；由于PUD分解方法的自适应属性，对于不同的图像，得到的一维分量完全不。即使对于同一幅图像，也可以通过设置不同的分解次数，使得图像分解后得到的一维分量不同。因此，可以利用与明文相关的序列对图像进行加密。该技术能够有效的抵抗选择明文攻击，选择密文攻击。对噪声攻击、剪切攻击以及差分攻击方面有较强的鲁棒性，具有较高的图像保密的安全性和鲁棒性，可应用于高级别的图像安全、图像保密通信领域。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明提供的一种基于PUD自适应分解的明文相关图像加密算法的流程示意图。

图2是本发明提供的一种基于PUD自适应分解的明文相关图像加密算法处理的原始图。

图3是本发明提供的一种基于PUD自适应分解的明文相关图像加密算法中对原始图像加密后的图像。

图4是本发明提供的一种基于PUD自适应分解的明文相关图像加密算法图2原始图像的直方图效果图。

图5是本发明提供的一种基于PUD自适应分解的明文相关图像加密算法中图3加密后的图像的直方图效果图

图6是本发明提供的一种基于PUD自适应分解的明文相关图像加密算法对加密图像添加高斯噪声后的解密图像。

图7是本发明提供的一种基于PUD自适应分解的明文相关图像加密算法对加密图像添加椒盐噪声后的解密图像。

图8是本发明提供的一种基于PUD自适应分解的明文相关图像加密算法中对加密图像的裁剪区域示意图。

图9是本发明提供的一种基于PUD自适应分解的明文相关图像加密算法按图8区域裁剪后的示意图。

图10是本发明提供的一种基于PUD自适应分解的明文相关图像加密算法中原始明文图像(图2)经过一个随机bit改变的图像。

图11是本发明提供的一种基于PUD自适应分解的明文相关图像加密算法中原始明文图像的密文图像。

图12是本发明提供的一种基于PUD自适应分解的明文相关图像加密算法的改变图像后的密文图像。

图13是本发明提供的一种基于PUD自适应分解的明文相关图像加密算法的两幅密文图像的绝对差值。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本实施例所述的基于PUD自适应分解的明文相关图像加密方法，包括如下步骤：

步骤1)伪随机数序列的产生：

利用已有的随机数生成器，产生512比特大小的伪随机数序列；

步骤2)明文图像的分解：

采用PUD分解技术对原始明文图像进行分解，得到三部分分量，分别为一个二维分量，两个一维分量以及图像的灰度平均值；

步骤3)图像加密的操作：

针对PUD技术分解原始明文图像得到的二维分量，进行置乱-扩散操作，最终得到加密图像。

优选地，所述步骤2)具体包括以下步骤：

步骤2a)将原始明文图像进行PUD分解，得到三部分分量，其中包括一个二维分量，两个一维分量及原始图像的灰度平均值。

步骤2b)采用模运算将图像的灰度平均值处理，得到两个广义 Arnold变换的参数。

步骤2c)将两个一维分量与步骤1)生成的伪随机数序列进行异或操作，得到两个随机序列。

优选地，所述步骤3)具体包括以下步骤：

步骤3a)针对二维分量的空间像素进行置乱操作，得到置乱图像；优选地，所采用的置乱算法为Arnold变换；

步骤3b)针对置乱后的图像分别用两个随机化的一位序列进行行与列的异或操作，对图像进行扩散，得到加密图像。

优选地，所述的明文相关的图像加密方法，在图像加密过程中需要设置分解次数，对于同一幅图像，可以设置不同的分解次数，以便产生完全不同的密钥，进一步产生完全不同的加密图像。

具体的，步骤1)中具体包括伪随机数序列的产生，利用伪随机数生成器生成一个长度为512bit的伪随机数序列K。

步骤2)中具体包括图像的PUD分解算法，包括步骤如下：

Step 2.1：选择分解次数，将原始明文图I像进行分解，得到三部分分量，分别为二维分量P，一维分量F₁,G₁，原始图像的灰度平均值C₀₀。

Step 2.2：将分解后得到图像灰度平均值C₀₀进行如下方式的两次模运算，得到广义Arnold变化的两个参数p,q；

p＝mod(c₀₀×10¹⁵,255)

q＝mod(c₀₀×10¹⁷,255)

Step 2.3:将原始图像分解后得到的两个一维分量F₁,G₁与伪随机序列K进行异或操作，得到两个随机序列F₂,G₂。

所述的步骤3)中具体包括图像加密算法，包括步骤如下：

Step 3.1:将二维分量P中的像素位置，利用Arnold变换进行如下方式的置乱变换，得到置乱后的图像P'。

Step 3.2：对置乱图像P'，分别采用F₂,G₂按照行异或与列异或，最终得到加密图像。

选取如图2所示的Lena图像作为原始明文图像，选择分解次数为 N＝5。

步骤一：伪随机数序列K的产生，本步骤实现了加密密钥的产生。

本步骤采用随机数生成器，产生长度为256bit的密钥K为：

K＝'9F7ED402FBF47A4F91F44824E7288A684849B3E8C5F495384 96A3A83131373A5A510F5FF5DEDC6CD838DB139FB31E11D982C51 48C7A53B8380CB49AD6ADAC4D7'(十六进制形式)。

步骤二：原始明文图像的PUD分解：

所述的步骤二中具体包括图像的PUD分解，包括步骤如下：

Step 1：将输入的明文图像分解N次，得到二维分量P，一维分量 F₁,G₁，原始图像的灰度平均值C₀₀。

I＝P+F₁+G₁+C₀₀

以实验为例，将256×256大小的Lena图像进行5次分解，将得到256×256大小的二维分量，两个256长的一维分量F₁,G₁，以及明文图像的灰度平均值C₀₀。

Step 2：将图像灰度平均值C₀₀进行取模运算，得到用于对图像置乱阶段的两个参数，如下所示：

p＝mod(C₀₀×10¹⁵,255)

q＝mod(C₀₀×10¹⁷,255)

Step 3：对两个分量F₁,G₁与密钥K进行异或操作，得到两个随机序列F₂,G₂，如下所示：

步骤三：对二维分量加密，所述的步骤三中具体包括认证信息的提取算法，包括步骤如下：

Step 1:将二维分量P中的像素位置，利用Arnold变换进行如下方式的置乱变换，得到置乱后的图像P'。

Step 2：对置乱图像P'，分别采用F₂,G₂按照行异或于列异或，具体过程如下：

从第1行到第M行依次进行异或操作：

i＝1:M；

temp＝P’(i,:)；

P’(i,:)＝P’(i,:)bitxor F₂

从第1列到第M列依次进行异或操作：

j＝1:M；

temp＝P’(:,j)；

P’(:,j)＝P’(:,j)bitxor G₂

最终得到密文图像C。

如图2-3所示，其中图2为原始图像,图3为加密后的图像。

结合图4-5来看，图4为Lena原始明文图像的直方图，可以看出像素值的分布波动比较大，而加密后的密文图像的直方图如图5所示，不同灰度的分布频率是均匀的，直方图是平坦的，可以看出本实施例所述的加密方法能够较好的抵抗统计攻击，加密效果较好。

图6和图7为对密文图像添加高斯噪声和椒盐噪声后得到的解密效果，图6为添加高斯噪声后的解密图像，图7为添加椒盐噪声后的解密图像，可以看出本实施例所述的加密方法能抵抗噪声攻击。

图8和图9为对密文图像进行裁剪后的得到解密效果，图8为对密文图像的裁剪区域，图9为对裁剪后的解密图像，可以看出本实施例所述的加密方法能剪切攻击。

在选择明文攻击的时候，攻击者会选取一副图像进行加密，然后对原始图像的像素值随机地改变1bit，并对改变后的图像进行加密，然后比较两幅加密图像的不同，以便发现密钥的线索。如果从Lena 图像中随机选取一个像素值，并且将其总的一位改变，那么由原始图像和改变后的图像得到的加密图像完全不同。如图10-13所示，图10 为原始Lena图像经过一个随机bit改变的图像，图11为原始Lena图像的密文图像，图12为改变图像的密文图像，图13为两幅密文图像的绝对值差。从图13可以看出，随机改变原始明文图像的一个随机位，得到的密文图像与原始图像的密文图像具有很大的差异，因此本实施例所述的方法能够有效地抵抗差分攻击。

由此可见，本发明对这几中图像攻击操作都具有很强的鲁棒性。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种基于PUD自适应分解的明文相关图像加密方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1）取待加密的原始明文图像，设置分解次数为N，利用伪随机数生成器生成伪随机序列；利用伪随机数生成器生成伪随机序列的步骤中，采用伪随机数生成器产生256比特大小的伪随机数序列；获取待加密的原始明文图像之后，包括对所述原始明文图像进行插值化的步骤，以将所述原始明文图像转化为像素值格式为M*M的格式；

步骤2）对原始明文图像进行PUD自适应分解：

对原始明文图像进行PUD自适应分解，得到两个一维分量后，包括步骤：

对两个一维分量F₁，G₁随机化操作，分别与所述伪随机数生成器生成的伪随机序列执行异或操作，得到新的一维分量F₂，G₂；

步骤3）图像加密操作：

对原始明文图像分解后得到的二维分量，采用置乱-扩散的方式对其进行加密，采用的密钥是灰度平均值和经过随机化操作的两个一维分量，最终得到加密图像，具体包括以下步骤：

步骤3a）使用置乱算法将二维分量的像素值进行全局置乱，改变相邻像素的相似性关系；

步骤3b）采用扩散算法，对置乱后的二维分量的像素值进行改变，使得加密后的像素值与初始二维分量像素值不同，保证图像的安全性。

2.根据权利要求1所述的基于PUD自适应分解的明文相关图像加密方法，其特征在于，所述置乱算法为Arnold变换。

3.根据权利要求1所述的基于PUD自适应分解的明文相关图像加密方法，其特征在于，所述扩散算法采用异或操作的方式。

4.根据权利要求1所述的基于PUD自适应分解的明文相关图像加密方法，其特征在于，加密算法与解密算法相对应，在图像解密算法中，相反操作来正确恢复解密图像。