CN112968762A - 基于混沌和块旋转的多图像置乱方法 - Google Patents

Abstract

一种基于混沌和块旋转的多图像置乱方法，属于信息加密领域。目前，批量图像的网络传输和存储变得日益频繁。为保护多图像内容的网络传输和存储安全，本发明定义了立方块自转和立方块公转的概念，设计了一种基于混沌和块旋转的多图像置乱方法。首先，将k幅原始图像组合成一个图像立方体，并进行分块操作，构成一个立方块集；其次，对立方块集中的立方块进行立方块自转和立方块公转；再次，利用混沌对立方块集进行置乱；最后，对置乱后的立方块集进行组合，产生k幅置乱图像。实验结果表明：该方法可同时加密多幅交互图像，加密效果良好，安全性强且高效。

Description

基于混沌和块旋转的多图像置乱方法

技术领域

本方法涉及一种信息加密技术，特别是涉及一种图像加密方法。

背景技术

大数据时代，在日常生活、商业贸易和国防军事等诸多领域，每天都有海量的图像信息通过互联网传播，此过程中存在信息泄露的风险。基于此，研究者们已提出多种图像加密方法。目前这些方法中存在加密容量有限、加密效率低或安全性弱等问题。

图像加密常用的手段包括置乱和扩散，置乱是指打乱像素在图像中的位置，扩散是指改变图像中的像素值。

为提高多图像加密的安全性和效率，定义了立方块自转和立方块公转的概念并结合混沌系统和立体置乱等技术，设计了一种基于混沌和块旋转的多图像置乱方法。该方法充分利用多图像数据的三维特征，以及混沌良好的随机性和复杂性，有效地保护了多图像内容网络传输和存储的安全。

发明内容

本发明的目的：为解决现有图像加密容量有限、加密效率低或安全性弱等问题，提出了一种基于混沌和块旋转的多图像置乱方法。

基于混沌和块旋转的多图像置乱方法，其特征在于，图像加密包括如下步骤：

步骤1：图像立体化：令k幅大小均为m×n的原始图像为I ¹,I ²,…,I ^k，按照特定的顺序将它们组合成一个大小为m×n×k的图像立方体C；

步骤2：图像立方体分块：将C分割成大小均为q×q×q的立方块，可得一个由s个元素构成的立方块集合B ¹={b _i ¹}，s=(m×n×k)/(q×q×q)，b _i ¹为任一立方块；若q无法整除m,n,和k，则用像素填补法对C进行扩充，使其符合被q整除；

步骤3：产生混沌序列：首先，随机选取Chen混沌系统的初始值x ₀ ¹,y ₀ ¹,z ₀ ¹，按照公式（1）迭代s次，可得3个长度为s的混沌序列X ¹={x _i ¹}，Y ¹={y _i ¹}和Z ¹={z _i ¹}；其次，随机选取Chen混沌系统的初始值x ₀ ²,y ₀ ²,z ₀ ²，令l=max(m, n, k)，按照公式（1）迭代l次，可得3个长度为l的混沌序列X ²={x _i ²}，Y ²={y _i ²}和Z ²={z _i ²}；最后，随机选取Tent映射的初始值t ₀和控制参数p，按照公式（2）迭代s次，可得1个长度为s的混沌序列T={t _i}；

Chen混沌和Tent映射方程分别为：

， （1）

其中，a=35，b=3，c=28；

， （2）

其中，p∈(0,1)且p≠0.5；

步骤4：混沌序列整数化：计算，

r _i ¹=mod(floor(x _i ¹×10¹⁶) , 3)， （3）

r _i ²=mod(floor(y _i ¹×10¹⁶) , 2)， （4）

r _i ³=mod(floor(z _i ¹×10¹⁶) , 3)， （5）

h _i ¹=mod(floor(x _i ²×10¹⁶) , 3)， （6）

h _i ²=mod(floor(y _i ²×10¹⁶) , 2)， （7）

h _i ³=mod(floor(z _i ²×10¹⁶) , 3)， （8）

其中，x _i ¹∈X ¹，y _i ¹∈Y ¹，z _i ¹∈Z ¹，x _i ²∈X ²，y _i ²∈Y ²，z _i ²∈Z ²，mod(·)是取模函数，floor(·)是取整函数；可产生6个整数混沌序列R ¹={r _i ¹}，R ²={r _i ²}，R ³={r _i ³}，H ¹={h _i ¹}，H ²={h _i ²}和H ³={h _i ³}；

步骤5：立方块自转：以B ¹中的每个立方块为旋转对象，利用R ¹, R ², R ³，根据设计的自转规则进行旋转，可得一个自转后的立方块集合B ²={b _i ²}；

步骤6：立方块公转：以B ²中每层块平面为旋转对象，利用H ¹, H ², H ³，根据设计的公转规则进行旋转，可得一个公转后的立方块集合B ³={b _i ³}；

步骤7：立方体置乱：利用T对B ³中的立方块进行置乱，可得一个置乱后的立方块集合B _i ⁴={b _i ⁴}；

步骤8：立方块组合：按照特定的顺序对B ⁴中的立方块进行组合，可得到k幅大小均为m×n的置乱图像J ¹, J ², … , J ^k。

进一步地，所述步骤5中，自转规则为：R ¹决定旋转的方位，当r _i ¹=0, 1, 2时，分别选择前后、上下和左右旋转，r _i ¹∈R ¹；R ²决定旋转的方向，当r _i ²=0, 1时，分别选择顺时针和逆时针旋转，r _i ²∈R ²；R ³决定旋转的角度，当r _i ³=0, 1, 2时，分别选择90度、180度和270度旋转，r _i ³∈R ³。

进一步地，所述步骤6中，公转规则为：H ¹决定旋转的中心轴，当h _i ¹=0, 1, 2时，分别选择以x轴、y轴和z轴为中心轴旋转，h _i ¹∈H ¹；H ²决定旋转的方向，当h _i ²=0, 1时，分别选择顺时针和逆时针旋转，h _i ²∈H ²；H ³决定旋转的角度，当h ³=0, 1, 2时，分别选择90度、180度和270度旋转，h _i ³∈H ³。

有益效果：本发明针对现有图像加密方法存在加密容量有限，加密效率低或安全性弱等问题，提出了一种基于混沌和块旋转的多图像置乱方法。主要贡献有：（1）根据多图像的三维数据特征，定义了立方块自转和立方块公转的概念（2）结合混沌系统、块旋转和块置乱等技术，提出了一种基于混沌和块旋转的多图像置乱方法；（3）该方法具有高效、安全和加密效果良好的特征，可有效保护多图像内容网络传输和存储的安全。

附图说明

图1：基于混沌和块旋转的多图像置乱流程图；

图2：原始图像集；

图3：图像立方体；

图4：自转规则图示；

图5：公转规则图示；

图6：加密图像集。

具体实施方式

下面结合具体附图和实例对本发明的实施过程进一步详细说明。

图1是本方法的加密流程图。

采用的编程软件为Matlab R2020a，选取图2所示的10幅大小为512×512的图像作为原始图像集。

步骤1：图像立体化：令10幅大小均为512×512的原始图像为I ¹, I ², …, I ¹⁰，按照给定的顺序将它们组合成一个大小为512×512×10的图像立方体C，如图3所示。

步骤2：图像立方体分块：将C分割成大小均为2×2×2的立方块，可得一个由s个元素构成的立方块集合B ¹={b _i ¹}，s=327680，b _i ¹为任一立方块。

步骤3：产生混沌序列：首先，随机选取Chen混沌系统的初始x ₀ ¹=0.3452, y ₀ ¹=0.5448, z ₀ ¹=0.4679，按照公式（1）所示进行迭代327680次，可得3个长度为327680的混沌序列X={x _i}，Y={y _i}和Z={z _i}；其次，随机选取Chen混沌系统的初始值x ₀ ²=0.4586, y ₀ ²=0.5846, z ₀ ²=0.9654，迭代该混沌512次，可得3个长度为512的混沌序列X ²={x _i ²}，Y ²={y _i ²}和Z ²={z _i ²};最后，随机选取Tent映射系统的初始值t ₀=0.6975和控制参数p=0.2469，按照公式（2）所示进行迭代327680次，可得1个长度为327680的混沌序列T={t _i}。

步骤4：混沌序列整数化：利用公式（1）-（6）计算，可产生6个整数混沌序列R ¹={r _i ¹}，R ²={r _i ²}，R ³={r _i ³}，H ¹={h _i ¹}，H ²={h _i ²}和H ³={h _i ³}。

步骤5：立方块自转：以B ¹中的每个立方块为旋转对象，利用R ¹, R ², R ³，根据设计的自转规则，如图4所示，进行旋转，可得一个自转后的立方块集合B ²={b _i ²}。

步骤6：立方块公转：以B ²中每层块平面为旋转对象，利用H ¹, H ², H ³，根据设计的公转规则，如图5所示，进行旋转，可得一个公转后的立方块集合B ³={b _i ³}。

步骤7：立方体置乱：利用T对B ³中的立方块进行置乱，可得一个置乱后的立方块集合B _i ⁴={b _i ⁴}。

步骤8：立方块组合：按照特定的顺序对B ⁴中的立方块进行组合，可得到10幅大小均为512×512的置乱图像J ¹, J ², …, J ¹⁰，如图6所示。

Claims (3)

1.基于混沌和块旋转的多图像置乱方法，其特征在于，加密过程包括如下步骤：

步骤1：图像立体化：令k幅大小均为m×n的原始图像为I ¹,I ²,…,I ^k，按照特定的顺序将它们组合成一个大小为m×n×k的图像立方体C；

步骤2：图像立方体分块：将C分割成大小均为q×q×q的立方块，可得一个由s个元素构成的立方块集合B ¹={b _i ¹}，s=(m×n×k)/(q×q×q)，b _i ¹为任一立方块；若q无法整除m,n,和k，则用像素填补法对C进行扩充，使其符合被q整除；

步骤3：产生混沌序列：首先，随机选取Chen混沌系统的初始值x ₀ ¹,y ₀ ¹,z ₀ ¹，按照公式（1）迭代s次，可得3个长度为s的混沌序列X ¹={x _i ¹}，Y ¹={y _i ¹}和Z ¹={z _i ¹}；其次，随机选取Chen混沌系统的初始值x ₀ ²,y ₀ ²,z ₀ ²，令l=max(m, n, k)，按照公式（1）迭代l次，可得3个长度为l的混沌序列X ²={x _i ²}，Y ²={y _i ²}和Z ²={z _i ²}；最后，随机选取Tent映射的初始值t ₀和控制参数p，按照公式（2）迭代s次，可得1个长度为s的混沌序列T={t _i}；

Chen混沌和Tent映射方程分别为：

， （1）

其中，a=35，b=3，c=28；

， （2）

其中，p∈(0,1)且p≠0.5；

步骤4：混沌序列整数化：计算，

r _i ¹=mod(floor(x _i ¹×10¹⁶) , 3)， （3）

r _i ²=mod(floor(y _i ¹×10¹⁶) , 2)， （4）

r _i ³=mod(floor(z _i ¹×10¹⁶) , 3)， （5）

h _i ¹=mod(floor(x _i ²×10¹⁶) , 3)， （6）

h _i ²=mod(floor(y _i ²×10¹⁶) , 2)， （7）

h _i ³=mod(floor(z _i ²×10¹⁶) , 3)， （8）

其中，x _i ¹∈X ¹，y _i ¹∈Y ¹，z _i ¹∈Z ¹，x _i ²∈X ²，y _i ²∈Y ²，z _i ²∈Z ²，mod(·)是取模函数，floor(·)是取整函数；可产生6个整数混沌序列R ¹={r _i ¹}，R ²={r _i ²}，R ³={r _i ³}，H ¹={h _i ¹}，H ²={h _i ²}和H ³={h _i ³}；

步骤5：立方块自转：以B ¹中的每个立方块为旋转对象，利用R ¹,R ²,R ³，根据设计的自转规则进行旋转，可得一个自转后的立方块集合B ²={b _i ²}；

步骤6：立方块公转：以B ²中每层块平面为旋转对象，利用H ¹,H ²,H ³，根据设计的公转规则进行旋转，可得一个公转后的立方块集合B ³={b _i ³}；

步骤7：立方体置乱：利用T对B ³中的立方块进行置乱，可得一个置乱后的立方块集合B _i ⁴={b _i ⁴}；

步骤8：立方块组合：按照特定的顺序对B ⁴中的立方块进行组合，可得到k幅大小均为m×n的置乱图像J ¹,J ²,… ,J ^k。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤5中，自转规则为：R ¹决定旋转的方位，当r _i ¹=0,1,2时，分别选择前后、上下和左右旋转，r _i ¹∈R ¹；R ²决定旋转的方向，当r _i ²=0,1时，分别选择顺时针和逆时针旋转，r _i ²∈R ²；R ³决定旋转的角度，当r _i ³=0,1,2时，分别选择90度、180度和270度旋转，r _i ³∈R ³。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤6中，公转规则为：H ¹决定旋转的中心轴，当h _i ¹=0,1,2时，分别选择以x轴、y轴和z轴为中心轴旋转，h _i ¹∈H ¹；H ²决定旋转的方向，当h _i ²=0,1时，分别选择顺时针和逆时针旋转，h _i ²∈H ²；H ³决定旋转的角度，当h ³=0,1,2时，分别选择90度、180度和270度旋转，h _i ³∈H ³。

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