CN112866718A - 一种基于现代密码体制的空域图像加密解密方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于现代密码体制的空域图像加密解密方法，步骤为：步骤1、将RGB彩图转换原始灰度图；步骤2、对图像进行加密处理；2.1、选取五个秘钥图，并设定各秘钥图系数；2.2、用五个秘钥图对原始灰度图进行加密处理，获取新的灰度图；2.3、对新的灰度图进行异或处理，获取传输图像；步骤3、对图像进行解密处理：3.1、对接收到的传输图像进行反异或处理，获取灰度图；3.2、根据预先约定的密钥库的密钥图和系数对图像进行解密，获取原始灰度图像。本方法较好的实现了对原图像进行加密并解密还原。

Description

一种基于现代密码体制的空域图像加密解密方法

技术领域

本发明属于信息化技术领域，涉及图像信息加密传输的方法，具体涉及一种基于现代密码体制的空域图像加密解密方法。

背景技术

图像信息生动形象，从而成为人类表达信息的重要手段。但同时也面临着信息被泄露篡改和假冒的事实，目前保证信息的安全已经成为信息技术的一个研究热点。在信息隐藏技术应用过程中，研究发现单纯的利用各种信息隐藏算法对秘密信息进行隐藏保密，攻击者很有可能较容易的提取到秘密信息。因此在信息隐藏之前可以先对秘密信息进行一定的加密运算。然后再将其隐藏在载体信息中心，这样所要传输的信息更加安全。为此各种图像加密算法应运而生。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种基于现代密码体制的空域图像加密解密方法，该方法是可以很好地对原图像进行加密并解密还原。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案为：

一种基于现代密码体制的空域图像加密解密方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、将RGB彩图转换原始灰度图；

步骤2、对图像进行加密处理；

2.1、选取五个秘钥图，并设定各秘钥图系数；

2.2、用五个秘钥图对原始灰度图进行加密处理，获取新的灰度图；

2.3、对新的灰度图进行异或处理，获取传输图像；

步骤3、对图像进行解密处理：

3.1、对接收到的传输图像进行反异或处理，获取灰度图；

3.2、根据预先约定的密钥库的密钥图和系数对图像进行解密，获取原始灰度图像。

进一步的：步骤1的具体过程为：

RGB彩图转灰度图常用的公式为；

Gray_ij＝R_ij*0.299+G_ij*0.587+B_ij*0.114…………………(1)

对于高像素大尺寸的真彩图，大量浮点计算十分消耗处理器的资源，为了提高计算速度，快速获取灰度图，避免使用浮点计算，本方法直接对数值进行位操作，2的16次幂为65536，RGB系数可以如下设置：

Rr＝0.299*65536≈19595………………………………(2)

Gr＝0.587*65535≈38469………………………………(3)

Br＝0.114*65535≈7472………………………………(4)

则公式(1)转化为：

Gray_ij＝(R_ij*19595+G_ij*38469+B_ij*7472)>>16………………(5)

对原始RGB彩图图片以公式(5)进行灰度图转换，获取原始图像的原始灰度图。

进一步的：步骤2.1为：在密钥库选取5张密钥图，密钥图选取时，取灰度直方图较为平滑的密钥图。

进一步的：步骤2.2具体为：

新灰度图是一个n*m的像素矩阵，矩阵元素值介于0～255；六张图片像素经数学形式处理后，其值不能超过255；

加密公式表达式如式(6)：

Gnew_ij＝f(p1_ij，p2_ij，p3_ij，p4_ij，p5_ij，Gray_ij)………………(6)

式中：

——Gnew_ij是新灰度图的第i行第j列的像素的灰度值；

——f是五张图密钥图和原始灰度图的变换公式。

——pN_ij是第N张密钥图的第i行第j列像素的灰度值。

对公式(6)采用的具体算法公式为：

Gnew_ij＝(a₁*p1_ij+a₂*p2_ij+a₃*p3_ij+a₄*p4_ij+a₅*p5_ij+a₆*Gray_ij)

>>64……(7)

——a₁，a₂，a₃，a₄，a₅，a₆是各密钥图及原始灰度图的正整数系数，其相加值之和应为2的64次方。

进一步的：步骤2.3具体为：

将像素点的像素值转换为一个字节的二进制数据，然后取每一位与前一位的异或值作为这一位的值，获取一个新的像素值，具体公式如下：

B_new0＝B0………………(8)

——B0表示单字节的第0位数值，Bi表示单字节第i位的数值；

——B_new0表示异或处理后单字节的第0位数值，B_newi表示异或处理后单字节第i位的数值。

进一步的：步骤3.1具体为：

信息接收方收到图片后先对每个像素点进行反异或处理，处理公式如下：

B0＝Bt0………………(10)

——B0表示反异或处理后单字节的第0位数值，Bi表示反异或处理后单字节第i位的数值；

——B_t0表示传输图像像素值单字节的第0位数值，B_ti表示传输图像像素值单字节第i位的数值。

进一步的：步骤3.2具体为：

以提高运算效率为目的，快速解密，a₆设为2的幂次方，设定a₆为2的m次方，则解密公式如下：

G＝((Gnew_ij<<64)-(a₁*p1_ij+a₂*p2_ij+a₃*p3_ij+a₄*p4_ij+a₅*p5_ij))>>m……(12)。

本发明具有的优点和积极效果：

1、本发明针对图像信息的信息量大、冗余度高、像素间自相关度高的特点，引入相关的算法技术，较好的实现了对图像的加密和解密还原。

2、本发明考虑到计算机是二进制操作，因此加密解密的时候，采用的都是位操作，而不是简单的乘除操作，因此提高了图像加密及解密效率；

3、本发明密钥图的各相关系数之和高达264，如果采用传统的暴力破解方法，则有(264*(264-1)*(264-2)*(264-3)*(264-4)*(264-5))可能解，因此大幅提高了图像加密信息被暴力破解的难度。

附图说明

图1是本发明的整体流程图；

图2是本发明RGB彩图的示例图；

图3是本发明对应于图2的原始灰度图；

图4是本发明图像加密流程图；

图5是本发明图像解密流程图。

具体实施方式

下面结合图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种基于于现代密码体制的空域图像加密解密方法

步骤一：RGB彩图转换灰度图

获取真彩图的灰度图。

1)RGB彩图转灰度图常用的公式为；

Gray_ij＝R_ij*0.299+G_ij*0.587+B_ij*0.114…………………(2)

2)对于高像素大尺寸的真彩图，大量浮点计算十分消耗处理器的资源，为了提高计算速度，快速获取灰度图，避免使用浮点计算，本方法直接对数值进行位操作。2的16次幂为65536，因此RGB系数可以如下设置：

Rr＝0.299*65536≈19595………………………………(2)

Gr＝0.587*65535≈38469………………………………(3)

Br＝0.114*65535≈7472………………………………(4)

Gray_ij＝(R_ij*19595+G_ij*38469+B_ij*7472)>>16………………(5)

对原始图片以公式(5)进行灰度图转换，获取原始图像的原始灰度图，比如将图2中的RGB彩图转化为图3中的灰度图。

步骤二：图像进行加密处理

在密钥库选取5张密钥图，密钥图选取时，取灰度直方图较为平滑的密钥图。选定密钥图后，对原始灰度图进行加密处理，获取新的灰度图。新灰度图实际是一个n*m的像素矩阵，矩阵元素值介于0～255。六张图片像素值经数学形式处理后，其值不能超过255。具体的，众所周知，灰度图像素值小于等于255，因此，六张图片像素值处理后形成的新灰度图每个像素值必须小于等于255。

加密公式表达式如式(6)：

Gnew_ij＝f(p1_ij，p2_ij，p3_ij，p4_ij，p5_ij，Gray_ij)………………(6)

式中：

——Gnew_ij是新灰度图的第i行第j列的像素的灰度值；

——f是五张图密钥图和原始灰度图的变换公式。

——pN_ij是第N张密钥图的第i行第j列像素的灰度值。

为提高加密效率，提高设备计算机CPU的使用率，本发明选择使用位操作。为隐藏原始信息，同时原始信息能被较好的保留，需要将Gray_ij所占比例降低，a₆的值为2⁵⁹～2⁶¹之间的数。

本发明对公式(6)采用的具体算法公式为：

Gnew_ij＝(a₁*p1_ij+a₂*p2_ij+a₃*p3_ij+a₄*p4_ij+a₅*p5_ij+a₆*Gray_ij)

>>64……(7)

——a₁，a₂，a₃，a₄，a₅，a₆是各密钥图及原始灰度图的正整数系数，其相加值之和应为2的64次方；

对密钥加密后的新灰度图的每个像素点进行异或处理。具体操作为将像素点的像素值转换为一个字节的二进制数据，然后取每一位与前一位的异或值作为这一位的值，从而获取一个新的像素值，具体公式如下：

B_new0＝B0………………(8)

——B0表示单字节的第0位数值，Bi表示单字节第i位的数值；

——B_new0表示异或处理后单字节的第0位数值，B_newi表示异或处理后单字节第i位的数值；

例如：原字节的二进制数为10010110＝150；异或操作后值为01000100＝68。

异或操作完毕即可获得传输图像。

图像加密整体处理流程图如图4。

步骤三：图像进行解密处理

首先信息接收方收到图片后先对每个像素点进行反异或处理，获取灰度图，处理公式如下：

B0＝Bt0………………(10)

——B0表示反异或处理后单字节的第0位数值，Bi表示反异或处理后单字节第i位的数值；

——B_t0表示传输图像像素值单字节的第0位数值，B_ti表示传输图像像素值单字节第i位的数值；

例如传输图像像素值为二进制的10110101＝181，则反异或处理后像素值的二进制值为00111001＝57。

根据预先约定的密钥库的密钥图和系数对图像进行解密，获取原始灰度图像。为提高运算效率,快速解密，a₆应设为2的幂次方，设定a₆为2的m次方，则解密公式如下：

G＝((Gnew_ij<<64)-(a₁*p1_ij+a₂*p2_ij+a₃*p3_ij+a₄*p4_ij+a₅*p5_ij))>>m……(12)

根据上述步骤对传输图像进行操作处理，即可获得原始秘密图像。

解密流程图如图5所示。

按照上述步骤实施后，在windows系统中，以Visual Studio+OpenCV为开发环境进行了软件仿真，并采用常用的暴力破解方法对图像进行暴力破解，20天内未能破解，成功实现了一种基于现代密码体制的空域图像加密技术，克服图像信息量大，自相关性强的困难，达到图像信息快速加密、信息隐藏性好的目的。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和图所公开的内容。

Claims (6)

1.一种基于现代密码体制的空域图像加密解密方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、将RGB彩图转换原始灰度图；

步骤2、对图像进行加密处理；

2.1、选取五个秘钥图，并设定各秘钥图系数；

2.2、用五个秘钥图对原始灰度图进行加密处理，获取新的灰度图；

2.3、对新的灰度图进行异或处理，获取传输图像；

步骤3、对图像进行解密处理：

3.1、对接收到的传输图像进行反异或处理，获取灰度图；

3.2、根据预先约定的密钥库的密钥图和系数对图像进行解密，获取原始灰度图像。

2.根据权利要求1所述的基于现代密码体制的空域图像加密解密方法，其特征在于：步骤1的具体过程为：

RGB彩图转灰度图常用的公式为；

Gray_ij＝R_ij*0.299+G_ij*0.587+B_ij*0.114…………………(1)

对于高像素大尺寸的真彩图，大量浮点计算十分消耗处理器的资源，为了提高计算速度，快速获取灰度图，避免使用浮点计算，本方法直接对数值进行位操作，2的16次幂为65536，RGB系数可以如下设置：

Rr＝0.299*65536≈19595………………………………(2)

Gr＝0.587*65535≈38469………………………………(3)

Br＝0.114*65535≈7472………………………………(4)

则公式(1)转化为：

Gray_ij＝(R_ij*19595+G_ij*38469+B_ij*7472)>>16………………(5)

对原始RGB彩图图片以公式(5)进行灰度图转换，获取原始图像的原始灰度图。

3.根据权利要求2所述的基于现代密码体制的空域图像加密解密方法，其特征在于：步骤2.1为：在密钥库选取5张密钥图，密钥图选取时，取灰度直方图较为平滑的密钥图。

4.根据权利要求2所述的基于现代密码体制的空域图像加密解密方法，其特征在于：步骤2.2具体为：

新灰度图是一个n*m的像素矩阵，矩阵元素值介于0～255；六张图片像素经数学形式处理后，其值不能超过255；

加密公式表达式如式(6)：

Gnew_ij＝f(p1_ij，p2_ij，p3_ij，p4_ij，p5_ij，Gray_ij)………………(6)

式中：

——Gnew_ij是新灰度图的第i行第j列的像素的灰度值；

——f是五张图密钥图和原始灰度图的变换公式。

——pN_ij是第N张密钥图的第i行第j列像素的灰度值。

对公式(6)采用的具体算法公式为：

Gnew_ij＝(a₁*p1_ij+a₂*p2_ij+a₃*p3_ij+a₄*p4_ij+a₅*p5_ij+a₆*Gray_ij)>>64……(7)

——a₁，a₂，a₃，a₄，a₅，a₆是各密钥图及原始灰度图的正整数系数，其相加值之和应为2的64次方。

5.根据权利要求2所述的基于现代密码体制的空域图像加密解密方法，其特征在于：步骤2.3具体为：

将像素点的像素值转换为一个字节的二进制数据，然后取每一位与前一位的异或值作为这一位的值，获取一个新的像素值，具体公式如下：

B_new0＝B0………………(8)

——B0表示单字节的第0位数值，Bi表示单字节第i位的数值；

——B_new0表示异或处理后单字节的第0位数值，B_newi表示异或处理后单字节第i位的数值。

进一步的：步骤3.1具体为：

信息接收方收到图片后先对每个像素点进行反异或处理，处理公式如下：

B0＝Bt0………………(10)

——B0表示反异或处理后单字节的第0位数值，Bi表示反异或处理后单字节第i位的数值；

——B_t0表示传输图像像素值单字节的第0位数值，B_ti表示传输图像像素值单字节第i位的数值。

6.根据权利要求2所述的基于现代密码体制的空域图像加密解密方法，其特征在于：步骤3.2具体为：

以提高运算效率为目的，快速解密，a₆设为2的幂次方，设定a₆为2的m次方，则解密公式如下：

G＝((Gnew_ij<<64)-(a₁*p1_ij+a₂*p2_ij+a₃*p3_ij+a₄*p4_ij+a₅*p5_ij))>>m……(12)。

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