CN113067696A - 一种基于比特位分组的多轮对称数字图像加密方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于比特位分组多轮对称加密的数字图像加密方法及系统。包括：图像获取模块，用于获取各种形式的图像信息；预处理模块，用于将获取到的图像信息处理成统一的格式，使其能够被加密模块识别和处理；加密模块，用于根据所述比特位分组多轮对称加密方法对输入图像进行加密变换，确定加密图像；密文传输模块，用于将加密图像从发送方无损地传输到接收方；密钥传输模块，用于将密钥从发送方以安全可靠的方式的传送给接收方；解密模块，用于对加密图像进行解密变换，恢复出原始图像；后处理模块，用于将解密出的原始图像处理成用户所需的形式；图像输出模块，用于将解密出的原始图像以特定的形式输出。本发明相对于非对称加密效率更高。

Description

一种基于比特位分组的多轮对称数字图像加密方法及系统
技术领域
本发明涉及信息安全、隐私保护和数字图像保密通信技术领域，特别是涉及一种基于比特位分组多轮对称加密的数字图像加密方法及系统。
背景技术
互联网每时每刻都会通过各种方式生成并传输大量的数字信息。其中，数字图像是一种广泛使用的数据格式，因为它以可视化的方式承载信息。在遍布网络的数字图像中，有些是机密图像，所有者不希望其他人未经授权访问，一个典型的例子是军事机密图像。因此，保护这些秘密图像的内容极为重要。为了保护数字图像，研究人员开发出了多种不同的技术，例如数据隐藏，水印和加密等等。在这些技术中，图像加密通过各种特定的变换算法将有意义的图像转换为无法识别的类似噪声的图像，从而为数字图像的保密通信提供了最直接的方法。大多数图像加密算法通常依据众所周知的“置乱-扩散”模式来设计。其中置乱特性是通过随机分离数字图像中相邻的像素来实现的，而扩散特性则可以通过将普通图像中的小变化散布到密文图像的所有像素中来获得。收到密文图像的通信主体只有拥有正确的密钥，才能重建原始图像信息。没有正确的密钥，就无法访问原始图像中的任何信息。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效可靠的数字图像加密方法及系统。
本发明的具体的技术方案如下：
一种基于比特位分组的多轮对称数字图像加密方法，所述方法包括：
根据原始数字图像各点的像素值获取输入图像矩阵；
对所述输入图像矩阵各点的像素值按照其二进制比特位进行拆分，确定高比特位输入图像矩阵和低比特位输入图像矩阵；
根据预设置乱算法和预设密钥值，对所述高比特位输入图像矩阵进行置乱操作，确定高比特位置乱图像矩阵；
根据预设扩散算法和预设密钥值，对所述低比特位输入图像矩阵进行扩散操作，确定低比特位扩散图像矩阵；
利用所述低比特位扩散图像矩阵对所述高比特位置乱图像矩阵逐元素进行异或操作，确定高比特位扩散图像矩阵；
根据预设像素交换算法和预设密钥值，对所述高比特位扩散图像矩阵和所述低比特位扩散图像矩阵进行随机像素交换，确定高比特位加密图像矩阵和低比特位加密图像矩阵；
交换所述高比特位加密图像矩阵和所述低比特位加密图像矩阵的值；
将所述高比特位加密图像矩阵和所述低比特位加密图像矩阵的对应元素按二进制比特位进行拼接，确定第一轮加密图像矩阵。
将所述第一轮加密图像矩阵作为新的输入图像矩阵，重复执行前述所有加密操作n-1次，确定第n轮加密图像矩阵。
可选的，所述根据预设置乱算法和预设密钥值，对所述高比特位输入图像矩阵进行置乱操作，确定高比特位置乱图像矩阵，包括：
根据所述高比特位输入图像矩阵的行数值、列数值和预设密钥值，通过Logistic-Tent耦合混沌映射生成第一混沌索引矩阵和第二混沌索引矩阵；
根据所述高比特位输入图像矩阵、所述第一混沌索引矩阵和所述第二混沌索引矩阵，对所述高比特位输入图像矩阵中不同位置的像素进行交换，确定高比特位置乱图像矩阵。
可选的，根据预设扩散算法和预设密钥值，对所述低比特位输入图像矩阵进行扩散操作，确定低比特位扩散图像矩阵，包括：
根据所述低比特位输入图像矩阵的行数值、列数值和预设密钥值，通过Logistic-Chebyshev耦合混沌映射生成第一混沌扩散序列和第二混沌扩散序列；
将所述低比特位输入图像矩阵转化为一维像素序列；
根据所述低比特位输入图像像素序列和所述第一混沌扩散序列，通过按位异或操作进行前向扩散，确定低比特位前向扩散图像像素序列；
根据低比特位前向扩散图像像素序列和所述第二混沌扩散序列，通过加法、取模和异或操作进行逆向扩散，确定低比特位扩散图像像素序列。
将所述低比特位扩散图像像素序列重新排列成矩阵形式，确定低比特位扩散图像矩阵。
可选的，根据预设像素交换算法和预设密钥值，对所述高比特位扩散图像矩阵和所述低比特位扩散图像矩阵进行随机像素交换，确定高比特位加密图像矩阵和低比特位加密图像矩阵，包括：
根据所述高比特位扩散图像矩阵和所述低比特位扩散图像矩阵的尺寸和预设密钥值，通过Gauss-Chebyshev耦合混沌映射生成混沌交换指示矩阵；
根据所述混沌交换指示矩阵对所述高比特位扩散图像矩阵和所述低比特位扩散图像矩阵的对应位置像素进行交换，确定所述高比特位加密图像矩阵和低比特位加密图像矩阵。
可选的，所述加密轮次n一般取大于4的整数以保证安全性。
另外，本发明还提供了一种基于所述比特位分组多轮对称加密方法的数字图像保密通信系统，包括：
图像获取模块，用于获取各种形式的图像信息；
预处理模块，用于将获取到的图像信息处理成统一的格式，使其能够被加密模块识别和处理；
加密模块，用于根据所述比特位分组多轮对称加密方法对输入图像进行加密变换，确定加密图像；
密文传输模块，用于将加密图像从发送方无损地传输到接收方；
密钥传输模块，用于将密钥从发送方以安全可靠的方式的传送给接收方；
解密模块，用于对加密图像进行解密变换，恢复出原始图像；
后处理模块，用于将解密出的原始图像处理成用户所需的形式；
图像输出模块，用于将解密出的原始图像以特定的形式输出。
本发明的有益技术效果如下：
1、所述基于比特位分组的多轮对称数字图像加密方法将输入图像拆分为高比特位图像和低比特位图像分别进行处理，对高比特位图像的置乱操作和对低比特位图像的扩散操作可以并行，提高了加解密效率；
2、所述加密算法采用三种不同的耦合混沌映射生成伪随机数，有效避免了使用单一混沌系统可能存在的退化问题，并且提高了加密系统的复杂度，从而提升了安全性；
3、所述加密方法采用多轮重复的方式进行堆叠，每一轮内部的逻辑相对比较简单，加密轮次可由用户自行配置，从而提升了系统的灵活性和扩展能力，使得用户能够在性能和安全性之间取得平衡；
4、所述加密方法整体采用了对称加密的方式，相对于非对称加密效率更高；
5、所述保密通信系统通过预处理模块和后处理模块完成数字图像在加密处理格式和其它格式之间的转换，使得系统能够处理任何形式的图像信息，也能够根据用户需求输出任意形式的解密图像，整个系统具有较强的通用性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于比特位分组的多轮对称数字图像加密方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种基于所述比特位分组多轮对称加密方法的数字图像保密通信系统的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细描述。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于比特位分组的多轮对称数字图像加密方法。如图1所示，该方法的执行流程为：
步骤100：根据原始数字图像各点的像素值获取输入图像矩阵，令当前轮次计数k＝1。
在实施中，加密应用程序获取到的图像应当是一个单通道的二维整数矩阵，矩阵的每个元素代表图像在该采样点的灰度值。本实施例对输入图像的颜色深度不作限定，对于常见的8比特、10比特以及12比特的数字图像，均可根据本实施例的方法进行加密变换。对于不符合输入格式要求的图像，需要提前通过预处理转换成符合上述要求的格式。变量k用来指示当前加密的轮次。对于原始图像，令k＝1。
步骤110：对所述输入图像矩阵各点的像素值按照其二进制比特位进行拆分，确定高比特位输入图像矩阵和低比特位输入图像矩阵。
在实施中，依次考察所述输入图像矩阵中每一个元素的二进制表示，将其二进制比特位平均拆分，一半较高位的比特放到所述高比特位输入图像矩阵的对应位置，另一半较低位的比特放到所述低比特位输入图像矩阵的对应位置，然后将这两个矩阵中的元素由二进制转换为十进制，从而确定所述高比特位输入图像矩阵和所述低比特位输入图像矩阵。
对于颜色深度为d的输入图像矩阵，经过此步骤将得到两个颜色深度为d/2的图像矩阵，并且它们的尺寸均与输入图像矩阵相同。
步骤120：根据预设置乱算法和预设密钥值，对所述高比特位输入图像矩阵进行置乱操作，确定高比特位置乱图像矩阵。
在实施中，首先根据预设密钥值通过混沌系统生成两个混沌随机索引矩阵，然后利用生成的索引矩阵根据预设置乱算法对所述高比特位输入图像矩阵进行置乱操作，从而确定所述高比特位置乱图像矩阵。具体的处理过程如下：
步骤一：根据预设密钥值x1,r1和下列(1)-(2)式定义的Logistic-Tent耦合混沌系统，生成一个长度为2MN的混沌伪随机序列，其中M×N是所述输入图像的尺寸，x1作为混沌系统的初始值，r1作为混沌系统的控制参数。
xn+1＝h((4rxn(1-xn)+2(1-r)min{xn,1-xn})mod 1) #(1)
其中，
Figure BDA0002999351430000051
步骤二：取生成的混沌序列的前MN个元素，将其值转化为[1,M]之间的整数，并将一维序列重排为大小为M×N的矩阵，从而确定所述第一混沌索引矩阵I1。
步骤三：取生成的混沌序列的后MN个元素，将其值转化为[1,N]之间的整数，并将一维序列重排为大小为M×N的矩阵，从而确定所述第二混沌索引矩阵I2。
步骤四：对于所述高比特位输入图像矩阵H，按照从左到右，从上到下的顺序依次遍历每个元素H(i,j)，将其与元素H(I1(i,j),I2(i,j))交换位置。
步骤五：所有元素处理完成后，得到所述高比特位置乱图像矩阵。
特别的，步骤120可与下面的步骤130并行。
特别的，在密钥短时间不变的情况下，可以预先计算出足够多的混沌伪随机数存储起来，此步骤直接从存储器中读取混沌伪随机序列，从而避免了迭代混沌系统的计算过程，提高加解密效率。
步骤130：根据预设扩散算法和预设密钥值，对所述低比特位输入图像矩阵进行扩散操作，确定低比特位扩散图像矩阵。
在实施中，首先根据预设密钥值通过混沌系统生成两个混沌扩散序列，然后将所述低比特位输入图像矩阵转化为一维像素序列，接着利用生成的混沌扩散序列根据预设扩散算法对所述低比特位输入图像像素序列依次进行前向扩散和逆向扩散操作，最后将所述低比特位输入图像像素序列重新排列为矩阵，从而确定所述低比特位扩散图像矩阵。具体的处理过程如下：
步骤一：根据预设密钥值x2,r2和下列(3)式定义的Logistic-Chebyshev耦合混沌系统，生成一个长度为2MN的混沌伪随机序列，其中M×N是所述输入图像的尺寸，x2作为混沌系统的初始值，r2作为混沌系统的控制参数。
xn+1＝h((4rxn(1-xn)+cos((2-r)arccosxn))mod 1) #(3)
步骤二：取生成的混沌序列的前MN个元素，将其值转化为[0,2d-1]之间的整数，其中d为图像的颜色深度，从而确定所述第一混沌扩散序列U1。
步骤三：将所述低比特位输入图像矩阵按行展开，转化为一维像素序列L。
步骤四：前向扩散。对于所述低比特位输入图像矩阵像素序列L，按照从左到右顺序依次遍历每个元素L(i)，并对其值通过下列(4)式进行更新，得到所述低比特位前向扩散图像像素序列：
Figure BDA0002999351430000061
其中，
Figure BDA0002999351430000062
表示按位异或操作，BitRev表示按位逆序操作。
步骤五：取生成的混沌序列的后MN个元素，将其值转化为[0,2d-1]之间的整数，从而确定所述第二混沌扩散序列U2。
步骤六：逆向扩散。对于所述低比特位前向扩散图像像素序列L，按照从右到左的顺序依次遍历每个元素L(i)，并对其值通过下列(5)式进行更新，得到所述低比特位扩散图像像素序列：
Figure BDA0002999351430000063
步骤七：将所述低比特位扩散图像像素序列按行重新排列为M×N矩阵，确定所述低比特位扩散图像矩阵。
特别的，步骤130可与前面的步骤120并行。
特别的，在密钥短时间不变的情况下，可以预先计算出足够多的混沌伪随机数存储起来，此步骤直接从存储器中读取混沌伪随机序列，从而避免了迭代混沌系统的计算过程，提高加解密效率。
步骤140：利用所述低比特位扩散图像矩阵对所述高比特位置乱图像矩阵逐元素进行异或操作，确定高比特位扩散图像矩阵。
在实施中，对于所述高比特位置乱图像矩阵H中的每个元素H(i,j)，利用所述低比特位扩散图像矩阵中对应位置的元素L(i,j)通过下列(6)式进行更新，从而确定所述高比特位扩散图像矩阵。
Figure BDA0002999351430000071
这一步骤的目的是为了将所述低比特位图像中的扩散性质传递给所述高比特位图像，消除所述高比特位图像中数值分布的统计特性，增强密文图像的随机性。
步骤150：根据预设像素交换算法和预设密钥值，对所述高比特位扩散图像矩阵和所述低比特位扩散图像矩阵进行随机像素交换，确定高比特位加密图像矩阵和低比特位加密图像矩阵。
在实施中，首先根据预设密钥值通过混沌系统生成一个二值的混沌交换指示矩阵，然后根据所述混沌交换指示矩阵对所述高比特位扩散图像矩阵和所述低比特位扩散图像矩阵的对应位置像素进行交换，从而确定所述高比特位加密图像矩阵和低比特位加密图像矩阵。具体的处理过程如下：
步骤一：根据预设密钥值x3,r3和下列(7)式定义的Gauss-Chebyshev耦合混沌系统，生成一个长度为MN的混沌伪随机序列，其中M×N是所述输入图像的尺寸，x3作为混沌系统的初始值，r3作为混沌系统的控制参数。
Figure BDA0002999351430000072
步骤二：将生成的混沌序列的值按照下列(8)式作二值化：
Figure BDA0002999351430000073
步骤三：将得到的0-1伪随机序列按行重新排列成M×N矩阵，从而确定所述混沌交换指示矩阵X。
步骤四：遍历所述混沌交换指示矩阵X的每个元素，若X(i,j)＝1，则交换所述高比特位扩散图像矩阵和所述低比特位扩散图像矩阵对应位置的元素H(i,j)和L(i,j)。当元素遍历完成后，就确定了所述高比特位加密图像矩阵和所述低比特位加密图像矩阵。
特别的，在密钥短时间不变的情况下，可以预先计算出足够多的混沌伪随机数存储起来，此步骤直接从存储器中读取混沌伪随机序列，从而避免了迭代混沌系统的计算过程，提高加解密效率。
步骤160：交换所述高比特位加密图像矩阵和所述低比特位加密图像矩阵的值。
在实施中，加密操作往往通过编程来实现。对于大多数程序设计语言来说，交换两个矩阵的值只需要交换两个内存变量的引用即可，因此这一步骤能够高效地完成。
在此步骤中交换所述高比特位图像和所述低比特位图像的目的是为了在下一轮加密中对高比特位图像进行扩散操作，而对低比特位图像进行置乱操作，这样在多轮加密的过程中每部分图像都是交替进行置乱和扩散操作的，有利于提升加密系统的安全性。
步骤170：将所述高比特位加密图像矩阵和所述低比特位加密图像矩阵的对应元素按二进制比特位进行拼接，确定第k轮加密图像矩阵。
在实施中，首先将所述高比特位加密图像矩阵和所述低比特位加密图像矩阵的所有元素转化为二进制表示，然后将所述高比特位加密图像矩阵每个像素的比特放到所述低比特位加密图像矩阵对应像素比特的前面，接着将每个像素从二进制转化为十进制，最终确定所述第k轮加密图像矩阵。
经过此步骤，两个颜色深度为d/2的图像矩阵将合并为一个颜色深度为d的图像矩阵。
特别的，此步骤确定所述第k轮加密图像矩阵之后，需要判断当前轮次k是否等于最终轮次n，若相等，转步骤180；若不等，将所述第k轮加密图像矩阵作为新的输入图像矩阵，轮次计数k加一，然后转步骤110。
步骤180：输出第n轮加密图像矩阵。
在实施中，所述图像加密算法最终输出的图像是一个单通道的二维整数矩阵，矩阵的每个元素代表加密图像在该采样点的灰度值，加密图像的颜色深度与输入图像相同。为了满足用户的需求，可以对加密图像进行各种二次处理操作，本实施例不作限定。但是对加密图像的二次处理操作必须是完全可逆的、无损的，否则接收方将不能恢复原始图像。
第二方面，提供了一种基于所述比特位分组多轮对称加密方法的数字图像保密通信系统。如图2所示，该系统的架构如下：
图像获取模块200：用于获取各种形式的图像信息。
在实施中，图像采集设备可以是手机、相机等任何设备，图像可以从本地存储和网络存储中读取，图像格式可以是BMP、JPEG、PNG、TIFF、GIF、RAW等能够被图像处理程序识别和处理的任何格式，本实施例对获取到的数字图像信息的形式不作限定。
预处理模块210：用于将获取到的图像信息处理成统一的格式，使其能够被加密模块识别和处理；
在实施中，该模块首先考察原始图像的大小，如果图像尺寸太大可以降低其分辨率，或者分块进行处理；然后考察图像的通道数，对于多通道图像，可以将不同的通道拼接在一起，也可以将每个通道单独送到加密模块中处理；接着考察图像的存储格式，如果是压缩格式需要先解压缩；最终考察图像中像素值的范围，确保每个像素是一个离散化的整数，其值表示该采样点的灰度。预处理模块最终输出的图像应当是一个单通道的二维整数矩阵。
加密模块220：用于根据所述比特位分组多轮对称加密方法对输入图像进行加密变换，确定加密图像；
在实施中，所述比特位分组多轮对称加密方法可以通过编程实现，程序可以存储在终端中，终端可以是手机、电脑或者其它专用设备。终端还需要预先存储密钥，密钥可由用户设定。该模块接受预处理模块的输出，通过运行加密程序，利用用户设定的密钥对输入图像进行加密变换，最终输出加密图像。
密文传输模块230，用于将加密图像从发送方无损地传输到接收方。
该模块主要用于传输数据，加密图像可以通过有线网络、蓝牙、无线局域网和移动通信网络等在线方式传输，也可以通过磁盘等介质以离线方式传输。加密图像可以在任何公开的信道中进行传输。即使有其他人取到了加密图像数据，但没有密钥就无法得到原始图像的任何信息，这保证图像信息的安全性。
特别的，该模块必须确保加密图像数据能够无损地从发送方传递给接收方。一旦加密图像在传输过程中丢失了任何信息或者被噪声污染，接收方将无法恢复原始图像。为了达成这一目的，可以使用TCP等可靠传输协议来传递加密图像。
密钥传输模块240，用于将密钥从发送方以安全可靠的方式的传送给接收方。
根据所述图像加密算法，接收方必须知道加密所使用的密钥才能对密文图像进行解密，从而恢复出原始图像，因此发送方必须设法将密钥传递给接收方。由于所述加密系统的安全性完全依赖于密钥的安全性，因此该模块必须保证密钥的传输是绝对安全的。
在实施中，发送方可以通过专用保密通信链路传递密钥，这种链路一般造价昂贵、资源有限，因此比较适合传输密钥这类小数据，而不能直接传输数字图像。此外，发送方也可以预先与接收方在安全环境下商定密钥，或者以物理方式传递密钥，或者通过其它的加密方式传递密钥，本实施例不做限定。
解密模块250：用于对加密图像进行解密变换，恢复出原始图像。
在实施中，所述比特位分组多轮对称加密方法对应的解密方法可以通过编程实现，程序可以预先存储在终端中。该模块收到加密图像后，通过运行解密程序，利用密钥对密文图像进行揭秘变换，最终恢复出原始图像。解密密钥由用户进行设定。
特别的，如果用户设定的解密密钥与加密所使用的密钥有任何不同，或者密文图像在传输过程中有任何信息丢失，解密均不能成功。
后处理模块260：用于将解密出的原始图像处理成用户所需的形式。
在实施中，用户可能对恢复出的原始图像有各种不同的格式需求，该模块可以调用各种通用的数字图像处理程序对解密出的原始图像进行后处理，如仿射变换、色彩空间转换、格式转换等，最终得到满足用户需求的图像。
图像输出模块270：用于将解密出的原始图像以特定的形式输出。
在实施中，该模块可以将图像输出到磁盘等存储器中，也可以输出到套接字中用于网络传输，或者输出到显示存储器中供显示设备渲染，本实施例不做限定。

Claims (9)

1.一种基于比特位分组的多轮对称数字图像加密方法，所述方法包括如下步骤：
(1.1)根据原始数字图像各点的像素值获取输入图像矩阵；
(1.2)对所述输入图像矩阵各点的像素值按照其二进制比特位进行拆分，确定高比特位输入图像矩阵和低比特位输入图像矩阵；
(1.3)根据预设置乱算法和预设密钥值，对所述高比特位输入图像矩阵进行置乱操作，确定高比特位置乱图像矩阵；
(1.4)根据预设扩散算法和预设密钥值，对所述低比特位输入图像矩阵进行扩散操作，确定低比特位扩散图像矩阵；
(1.5)利用所述低比特位扩散图像矩阵对所述高比特位置乱图像矩阵逐元素进行异或操作，确定高比特位扩散图像矩阵；
(1.6)根据预设像素交换算法和预设密钥值，对所述高比特位扩散图像矩阵和所述低比特位扩散图像矩阵进行随机像素交换，确定高比特位加密图像矩阵和低比特位加密图像矩阵；
(1.7)交换所述高比特位加密图像矩阵和所述低比特位加密图像矩阵的值；
(1.8)将所述高比特位加密图像矩阵和所述低比特位加密图像矩阵的对应元素按二进制比特位进行拼接，确定第一轮加密图像矩阵；
(1.9)将所述第一轮加密图像矩阵作为新的输入图像矩阵，重复执行前述所有加密操作n-1次，确定第n轮加密图像矩阵。
2.根据权利要求1所述的一种基于比特位分组的多轮对称数字图像加密方法，其特征在于，所述步骤(1.3)具体如下：
(2.1)根据所述高比特位输入图像矩阵的行数值、列数值和预设密钥值，通过Logistic-Tent耦合混沌映射生成第一混沌索引矩阵和第二混沌索引矩阵；
(2.2)根据所述高比特位输入图像矩阵、所述第一混沌索引矩阵和所述第二混沌索引矩阵，对所述高比特位输入图像矩阵中不同位置的像素进行交换，确定高比特位置乱图像矩阵。
3.根据权利要求2所述一种基于比特位分组的多轮对称数字图像加密方法，其特征在于，所述确定高比特位置乱图像矩阵的具体方法如下：
步骤一：根据预设密钥值x1,r1和下列(1)-(2)式定义的Logistic-Tent耦合混沌系统，生成一个长度为2MN的混沌伪随机序列，其中M×N是所述输入图像的尺寸，x1作为混沌系统的初始值，r1作为混沌系统的控制参数；
xn+1＝h((4rxn(1-xn)+2(1-r)min{xn,1-xn})mod 1)#(1)
其中，
Figure FDA0002999351420000021
步骤二：取生成的混沌序列的前MN个元素，将其值转化为[1,M]之间的整数，并将一维序列重排为大小为M×N的矩阵，从而确定所述第一混沌索引矩阵I1；
步骤三：取生成的混沌序列的后MN个元素，将其值转化为[1,N]之间的整数，并将一维序列重排为大小为M×N的矩阵，从而确定所述第二混沌索引矩阵I2；
步骤四：对于所述高比特位输入图像矩阵H，按照从左到右，从上到下的顺序依次遍历每个元素H(i,j)，将其与元素H(I1(i,j),I2(i,j))交换位置；
步骤五：所有元素处理完成后，得到所述高比特位置乱图像矩阵。
4.根据权利要求1所述的一种基于比特位分组的多轮对称数字图像加密方法，其特征在于，所述步骤(1.4)具体如下：
(4.1)根据所述低比特位输入图像矩阵的行数值、列数值和预设密钥值，通过Logistic-Chebyshev耦合混沌映射生成第一混沌扩散序列和第二混沌扩散序列；
(4.2)将所述低比特位输入图像矩阵转化为一维像素序列；
(4.3)根据所述低比特位输入图像像素序列和所述第一混沌扩散序列，通过按位异或操作进行前向扩散，确定低比特位前向扩散图像像素序列；
(4.4)根据低比特位前向扩散图像像素序列和所述第二混沌扩散序列，通过加法、取模和异或操作进行逆向扩散，确定低比特位扩散图像像素序列；
(4.5)将所述低比特位扩散图像像素序列重新排列成矩阵形式，确定低比特位扩散图像矩阵。
5.根据权利要求4所述的一种基于比特位分组的多轮对称数字图像加密方法，其特征在于，所述确定低比特位扩散图像矩阵的具体方法如下：
步骤一：根据预设密钥值x2,r2和下列(3)式定义的Logistic-Chebyshev耦合混沌系统，生成一个长度为2MN的混沌伪随机序列，其中M×N是所述输入图像的尺寸，x2作为混沌系统的初始值，r2作为混沌系统的控制参数；
xn+1＝h((4rxn(1-xn)+cos((2-r)arccosxn))mod 1)#(3)
步骤二：取生成的混沌序列的前MN个元素，将其值转化为[0,2d-1]之间的整数，其中d为图像的颜色深度，从而确定所述第一混沌扩散序列U1；
步骤三：将所述低比特位输入图像矩阵按行展开，转化为一维像素序列L；
步骤四：前向扩散；对于所述低比特位输入图像矩阵像素序列L，按照从左到右顺序依次遍历每个元素L(i)，并对其值通过下列(4)式进行更新，得到所述低比特位前向扩散图像像素序列：
Figure FDA0002999351420000031
其中，
Figure FDA0002999351420000032
表示按位异或操作，BitRev表示按位逆序操作；
步骤五：取生成的混沌序列的后MN个元素，将其值转化为[0,2d-1]之间的整数，从而确定所述第二混沌扩散序列U2；
步骤六：逆向扩散；对于所述低比特位前向扩散图像像素序列L，按照从右到左的顺序依次遍历每个元素L(i)，并对其值通过下列(5)式进行更新，得到所述低比特位扩散图像像素序列：
Figure FDA0002999351420000033
步骤七：将所述低比特位扩散图像像素序列按行重新排列为M×n矩阵，确定所述低比特位扩散图像矩阵。
6.根据权利要求1所述的一种基于比特位分组的多轮对称数字图像加密方法，其特征在于，所述步骤(1.6)具体如下：
(6.1)根据所述高比特位扩散图像矩阵和所述低比特位扩散图像矩阵的尺寸和预设密钥值，通过Gauss-Chebyshev耦合混沌映射生成混沌交换指示矩阵；
(6.2)根据所述混沌交换指示矩阵对所述高比特位扩散图像矩阵和所述低比特位扩散图像矩阵的对应位置像素进行交换，确定所述高比特位加密图像矩阵和低比特位加密图像矩阵。
7.根据权利要求6所述的一种基于比特位分组的多轮对称数字图像加密方法，其特征在于，所述确定高比特位加密图像矩阵和低比特位加密图像矩阵的具体方法如下：
步骤一：根据预设密钥值x3,r3和下列(7)式定义的Gauss-Chebyshev耦合混沌系统，生成一个长度为MN的混沌伪随机序列，其中M×N是所述输入图像的尺寸，x3作为混沌系统的初始值，r3作为混沌系统的控制参数；
Figure FDA0002999351420000041
步骤二：将生成的混沌序列的值按照下列(8)式作二值化：
Figure FDA0002999351420000042
步骤三：将得到的0-1伪随机序列按行重新排列成M×N矩阵，从而确定所述混沌交换指示矩阵X；
步骤四：遍历所述混沌交换指示矩阵X的每个元素，若X(i,j)＝1，则交换所述高比特位扩散图像矩阵和所述低比特位扩散图像矩阵对应位置的元素H(i,j)和L(i,j)；当元素遍历完成后，就确定了所述高比特位加密图像矩阵和所述低比特位加密图像矩阵。
8.一种基于权利要求1-7任一权利要求所述一种基于比特位分组的多轮对称数字图像加密方法，其特征在于：
所述加密轮次n一般取大于4的整数以保证安全性。
9.一种基于权利要求1所述比特位分组多轮对称数字图像加密方法的保密通信系统，包括：
图像获取模块，用于获取各种形式的图像信息；
预处理模块，用于将获取到的图像信息处理成统一的格式，使其能够被加密模块识别和处理；
加密模块，用于根据所述比特位分组多轮对称加密方法对输入图像进行加密变换，确定加密图像；
密文传输模块，用于将加密图像从发送方无损地传输到接收方；
密钥传输模块，用于将密钥从发送方以安全可靠的方式的传送给接收方；
解密模块，用于对加密图像进行解密变换，恢复出原始图像；
后处理模块，用于将解密出的原始图像处理成用户所需的形式；
图像输出模块，用于将解密出的原始图像以特定的形式输出。
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