CN113067958A

CN113067958A - 图像加密方法、装置、电子设备及存储介质

Info

Publication number: CN113067958A
Application number: CN202110231291.5A
Authority: CN
Inventors: 何清素; 靳丹; 马志程; 王�锋; 李帅; 杨仕博; 任杰; 陈佐虎; 沙孝聪
Original assignee: State Grid Gansu Electric Power Co Ltd; Gansu Tongxing Intelligent Technology Development Co Ltd
Current assignee: State Grid Gansu Electric Power Co Ltd; Gansu Tongxing Intelligent Technology Development Co Ltd
Priority date: 2021-03-02
Filing date: 2021-03-02
Publication date: 2021-07-02
Anticipated expiration: 2041-03-02
Also published as: CN113067958B

Abstract

本说明书一个或多个实施例提供一种图像加密方法、装置、电子设备及存储介质。所述方法包括：对原图像P_m×n进行全局置乱加密，得到得到全局置乱图像P′；将所述全局置乱图像P′进行比特置乱加密，得到密文图像PP。本发明对图像进行安全、方便和有效的加密，提高了电子数据的安全性，实现更好的保护图像数据隐私。

Description

图像加密方法、装置、电子设备及存储介质

技术领域

本说明书一个或多个实施例涉及图像处理技术领域，尤其涉及一种图像加密方法、装置、电子设备及存储介质。

背景技术

随着互联网的发展，越来越多的信息以数字化的形式存储和传送，在数字化的信息中，图像信息因具有形象性、直观性和生动性以及可视化强等突出优点，在信息交互中应用非常广泛。由于图像信息具有数据量大、数据之间的相关性高等特点，使传统密码学对图像数据的加密遭遇了效率低的困难，同时，在网络传输过程中，图像信息的不安全因素，给了恶意攻击可乘之机，原始图像信息有可能遭受攻击而导致信息泄露或者信息破坏。如何提高图像安全、抗攻击能力、密钥传输安全是当下亟需解决的问题。

现有技术中多采用全局置乱或者比特置乱的一个环节，同时也只用一种混沌系统产生混沌序列，致使全局置乱或比特置乱环节所用混沌序列不敏感，对选择明文攻击防御力弱；以及使用明文像素值总和与平均值作为明文与混沌序列的联系，使其关联性不强，易被破解。因而无法对图像进行安全、有效的加密，导致电子数据安全性较低，

基于此，需要一种图像加密方法，对图像进行安全、方便和有效的加密，提高电子数据的安全性，以实现更好的保护图像数据隐私。

发明内容

有鉴于此，本说明书一个或多个实施例的目的在于提出一种图像加密方法、装置、电子设备及存储介质，以实现对图像进行安全、方便和有效的加密，更好的保护图像数据隐私。

基于上述目的，本说明书一个或多个实施例提供了一种图像加密方法，包括：

将m行n列个像素构成的原图像P_m×n按照先行后列的顺序转换成长度为m×n的一维序列P＝{p₁，p₂，p₃，...，p_m×n}；

将预设的双混沌系统迭代m×n次，以得到长度为m×n的第一混沌序列fl＝{fl₁，fl₂，fl₃，...，fl_m×n}，并对fl进行预设的第一变换，以得到一次混沌序列；

利用所述一次混沌序列置乱所述一维序列P，得到全局置乱图像P′＝{p′₁，p′₂，p′₃，...，p′_m×n}；

将所述双混沌系统继续迭代m×n次，以得到长度为m×n的第二混沌序列flb＝{flb₁，flb₂，flb₃，...，flb_m×n}，并对flb进行预设的第二变换，以得到二次混沌序列；

通过将所述全局置乱图像P′中的每一个像素值转换成比特序列并利用所述二次混沌序列置乱所述比特序列，得到像素值比特置乱后的密文图像。

进一步，所述双混沌系统包括Logistic-Sine混沌系统和Kent混沌系统，被表示为：

其中，f(k)表示Kent混沌系统的映射关系，S表示Kent混沌系统的控制参数，0≤S＜1，l_n+1表示Logistic-Sine混沌系统的映射表达式，μ为Logistic-Sine混沌系统的控制参数，μ的取值范围为(0，4]，n为迭代次数，l_n为第n次迭代值，fl(x)为所述双混沌系统的映射表达式，p为所述双混沌系统的控制参数，k₁为迭代次数。

进一步，所述第一变换包括：

将所述第一混沌序列fl中的所有元素按照由小到大排序，得到有序序列fl′＝{fl′₁，fl′₂，fl′₃，...，fl′_m×n}；

通过逐一记录fl′中的各元素在fl中的位置，得到作为所述一次混沌序列的第一索引序列FL＝{FL₁，FL₂，FL₃，...，FL_m×n}。

进一步，所述第二变换包括：

提取所述第二混沌序列flb中第i个值的小数部分的前8个偶数位的数字或前8个奇数位的数字，以组成第一整数序列L，其中i大于等于1且小于等于m×n；

将所述第一整数序列L中的所有元素按照从小到大的顺序排列，以得到有序整数序列L′；

通过逐一记录L′中的各元素在L中的位置，得到作为所述二次混沌序列的第二索引序列LS＝{ls₁，ls₂，ls₃，...，ls₈}。

进一步，将所述全局置乱图像P′中的每一个像素值转换成比特序列并利用所述二次混沌序列置乱所述比特序列包括：

对于P′中的每一像素值，将该像素值转换成比特序列PBin＝{PBin₁，PBin₂，PBin₃，...，PBin₈}，利用所述第二索引序列LS置乱PBin以得到置乱比特序列PBin′＝{PBin′₁，PBin′₂，PBin′₃，...，PBin′₈}，并将PBin′转换成十进制数。

基于同一发明构思，本说明书一个或多个实施例还提供了一种图像加密装置，包括：

全局置乱模块：被配置为将m行n列个像素构成的原图像P_m×n按照先行后列的顺序转换成长度为m×n的一维序列P＝{p₁，p₂，p₃，...，p_m×n}；将预设的双混沌系统迭代m×n次，以得到长度为m×n的第一混沌序列fl＝{fl₁，fl₂，fl₃，...，fl_m×n}，并对fl进行预设的第一变换，以得到一次混沌序列；利用所述一次混沌序列置乱所述一维序列P，得到全局置乱图像P′＝{p′₁，p′₂，p′₃，...，p′_m×n}；

比特置乱模块：被配置为将所述双混沌系统继续迭代m×n次，以得到长度为m×n的第二混沌序列flb＝{flb₁，flb₂，flb₃，...，flb_m×n}，并对flb进行预设的第二变换，以得到二次混沌序列；通过将所述全局置乱图像P′中的每一个像素值转换成比特序列并利用所述二次混沌序列置乱所述比特序列，得到像素值比特置乱后的密文图像。

基于同一发明构思，本书明书一个或多个实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上任意一项所述的方法。

基于同一发明构思，本书明书一个或多个实施例还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行如上任一所述方法。

从上面所述可以看出，本说明书一个或多个实施例提供的图像加密方法，通过双混沌系统产生的交叉序列保证了加密过程的安全性，同时采用全局置乱和比特置乱两种置乱方式，提升了破解难度，使加密更具有安全性，可实现更好的保护图像数据隐私。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书一个或多个实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书一个或多个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本说明书一个或多个实施例的图像加密方法流程图；

图2为本说明书一个或多个实施例的图像加密装置结构示意图；

图3为本说明书一个或多个实施例的电子设备结构示意图。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本说明书一个或多个实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书一个或多个实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。

如背景技术所述，现有的图像加密方法通常选择全局置乱环节或比特置乱环节，也只选择一种混沌系统产生混沌序列，导致使用的全局置乱环节或比特置乱环节所用的混沌序列对选择明文攻击防御力弱；同时明文与混沌序列的关联性不强，容易被破解。

有鉴于此，本说明书一个或多个实施例提供了一种图像加密方法。如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤S101：将m行n列个像素构成的原图像P_m×n按照先行后列的顺序转换成长度为m×n的一维序列P。其中，

P＝{p₁，p₂，p₃，...，p_m×n}。

步骤S102：将预设的双混沌系统迭代m×n次，以得到长度为m×n的混沌序列fl，并对fl进行预设的第一变换，以得到一次混沌序列。其中，

fl＝{fl₁，fl₂，fl₃，...，fl_m×n}。

本步骤中，上述双混沌系统包括Logistic-Sine(逻辑正弦)混沌系统和Kent混沌系统；具体的，上述双混沌系统的计算方法如下：

其中，f(k)表示Kent混沌系统的映射关系，S表示混沌系统的控制参数，且0≤S＜1；l_n+1表示Logistic-Sine混沌系统的映射表达式，μ为系统控制参数，且μ取值为(0，4]，n为迭代次数，l_n为第n次迭代值，mod为模运算符号；fl(x)表示双混沌系统fl的映射表达式，p为系统控制参数，k₁为迭代次数。

进一步地，上述第一变换包括：

将所述第一混沌序列fl中的所有元素按照由小到大排序，得到有序序列fl′。其中，

fl′＝{fl′₁，fl′₂，fl′₃，...，fl′_m×n}

通过逐一记录fl′中的各元素在fl中的位置，得到作为所述一次混沌序列的第一索引序列FL。其中，

FL＝{FL₁，FL₂，FL₃，...，FL_m×n}。

步骤S103：利用所述一次混沌序列置乱所述一维序列P，得到全局置乱图像P′。其中

P′＝{p′₁，p′₂，p′₃，...，p′_m×n}。

本步骤中，上述置乱的具体计算方法如下：

其中，p′_i表示全局置乱图像P′中第i元素，

为第一索引序列FL中的第i个元素。

步骤S104：将所述双混沌系统继续迭代m×n次，以得到长度为m×n的第二混沌序列flb，并对flb进行预设的第二变换，以得到二次混沌序列。

其中，

flb＝{flb₁，flb₂，flb₃，...，flb_m×n}。

本步骤中，上述第二变换具体包括：

具体的，举例对本步骤说明，例如，第二混沌序列flb中第i个值为0.1854729156753957659，若取前8个偶数位数字，则第一整数序列L＝{8，4，2，1，6，5，9，7}，有序整数序列L′＝{1，2，4，5，6，7，8，9}，第二索引序列LS＝{4，3，2，6，5，8，1，7}。

步骤S105：通过将所述全局置乱图像P′中的每一个像素值转换成比特序列并利用所述二次混沌序列置乱所述比特序列，得到像素值比特置乱后的密文图像。

本步骤中，通过将所述全局置乱图像P′中的每一个像素值转换成比特序列并利用所述二次混沌序列置乱所述比特序列具体包括：

对于P′中的每一像素值，将该像素值转换成比特序列PBin，利用所述第二索引序列LS置乱PBin以得到置乱比特序列PBin′，并将PBin′转换成十进制数，其中，

PBin＝{PBin₁，PBin₂，PBin₃，...，PBin₈}

PBin′＝{PBin′₁，PBin′₂，PBin′₃，...，PBin′₈}。

上述置乱的具体计算方法如下：

其中，PBin′_i表示比特序列PBin中第i个元素，

表示第二索引序列LS中的第i个元素。

进一步举例对本步骤进行详细说明，例如，p′₁＝168，对应的PBin₁＝{1，0，1，0，1，0，0，0}，LS＝{4，3，2，6，5，8，1，7}，则经过置乱后的PBin′₁＝{0，1，0，0，1，0，1，0}，PBin′＝{0，1，0，0，1，0，1，0}转化为相应的十进制数字为74。

可见，本实施例中，由双混沌系统产生的混沌序列保证了加密过程的安全性，通过将像素位置置乱和像素值变换相结合，置乱密钥不仅与混沌密钥相关，而且与明文相关。大幅度增加了攻击者的破解难度，使加密图像更有安全性。

可以理解的是，加密后的密文图像PP可通过加密的逆运算进行解密，得到原图像P_m×n。

需要说明的是，本说明书一个或多个实施例的方法可以由单个设备执行，例如一台计算机或服务器等。本实施例的方法也可以应用于分布式场景下，由多台设备相互配合来完成。在这种分布式场景的情况下，这多台设备中的一台设备可以只执行本说明书一个或多个实施例的方法中的某一个或多个步骤，这多台设备相互之间会进行交互以完成所述的方法。

需要说明的是，上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本说明书一个或多个实施例还提供了一种图像加密装置。

参考图2，所述图像加密装置，包括：

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本说明书一个或多个实施例时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

上述实施例的装置用于实现前述任一实施例中相应的图像加密方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本说明书一个或多个实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上任意一实施例所述的图像加密方法。

图3示出了本实施例所提供的一种更为具体的电子设备硬件结构示意图，该设备可以包括：处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030、通信接口1040和总线1050。其中处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030和通信接口1040通过总线1050实现彼此之间在设备内部的通信连接。

处理器1010可以采用通用的CPU(Central Processing Unit，中央处理器)、微处理器、应用专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、或者一个或多个集成电路等方式实现，用于执行相关程序，以实现本说明书实施例所提供的技术方案。

存储器1020可以采用ROM(Read Only Memory，只读存储器)、RAM(Random AccessMemory，随机存取存储器)、静态存储设备，动态存储设备等形式实现。存储器1020可以存储操作系统和其他应用程序，在通过软件或者固件来实现本说明书实施例所提供的技术方案时，相关的程序代码保存在存储器1020中，并由处理器1010来调用执行。

输入/输出接口1030用于连接输入/输出模块，以实现信息输入及输出。输入输出/模块可以作为组件配置在设备中(图中未示出)，也可以外接于设备以提供相应功能。其中输入设备可以包括键盘、鼠标、触摸屏、麦克风、各类传感器等，输出设备可以包括显示器、扬声器、振动器、指示灯等。

通信接口1040用于连接通信模块(图中未示出)，以实现本设备与其他设备的通信交互。其中通信模块可以通过有线方式(例如USB、网线等)实现通信，也可以通过无线方式(例如移动网络、WIFI、蓝牙等)实现通信。

总线1050包括一通路，在设备的各个组件(例如处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030和通信接口1040)之间传输信息。

需要说明的是，尽管上述设备仅示出了处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030、通信接口1040以及总线1050，但是在具体实施过程中，该设备还可以包括实现正常运行所必需的其他组件。此外，本领域的技术人员可以理解的是，上述设备中也可以仅包含实现本说明书实施例方案所必需的组件，而不必包含图中所示的全部组件。

上述实施例的电子设备用于实现前述任一实施例中相应的图像加密方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本说明书一个或多个实施例还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行如上任一实施例所述的图像加密方法。

本实施例的计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。

上述实施例的存储介质存储的计算机指令用于使所述计算机执行如上任一实施例所述的图像加密方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本说明书一个或多个实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本说明书一个或多个实施例难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本说明书一个或多个实施例难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本说明书一个或多个实施例的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本公开的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本说明书一个或多个实施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本公开的具体实施例对本公开进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本说明书一个或多个实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims

1.一种图像加密方法，其特征在于，包括：

将m行n列个像素构成的原图像P_m×n按照先行后列的顺序转换成长度为m×n的一维序列P＝{p₁,p₂,p₃,…,p_m×n}；

将预设的双混沌系统迭代m×n次，以得到长度为m×n的第一混沌序列fl＝{fl₁,fl₂,fl₃,…,fl_m×n}，并对fl进行预设的第一变换，以得到一次混沌序列；

利用所述一次混沌序列置乱所述一维序列P，得到全局置乱图像P′＝{p′₁,p′₂,p′₃,…,p′_m×n}；

将所述双混沌系统继续迭代m×n次，以得到长度为m×n的第二混沌序列flb＝{flb₁,flb₂,flb₃,…,flb_m×n}，并对flb进行预设的第二变换，以得到二次混沌序列；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述双混沌系统包括Logistic-Sine混沌系统和Kent混沌系统，被表示为：

其中，f(k)表示Kent混沌系统的映射关系，S表示Kent混沌系统的控制参数，0≤S<1，l_n+1表示Logistic-Sine混沌系统的映射表达式，μ为Logistic-Sine混沌系统的控制参数，μ的取值范围为(0,4]，n为迭代次数，l_n为第n次迭代值，fl(x)为所述双混沌系统的映射表达式，p为所述双混沌系统的控制参数，k₁为迭代次数。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一变换包括：

将所述第一混沌序列fl中的所有元素按照由小到大排序，得到有序序列fl′＝{fl′₁,fl′₂,fl′₃,…,fl′_m×n}；

通过逐一记录fl′中的各元素在fl中的位置，得到作为所述一次混沌序列的第一索引序列FL＝{FL₁,FL₂,FL₃,…,FL_m×n}。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第二变换包括：

通过逐一记录L′中的各元素在L中的位置，得到作为所述二次混沌序列的第二索引序列LS＝{ls₁,ls₂,ls₃,…,ls₈}。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将所述全局置乱图像P′中的每一个像素值转换成比特序列并利用所述二次混沌序列置乱所述比特序列包括：

对于P′中的每一像素值，将该像素值转换成比特序列PBin＝{PBin₁,PBin₂,PBin₃,…,PBin₈}，利用所述第二索引序列LS置乱个PBin以得到置乱比特序列PBin′＝{PBin′₁,PBin′₂,PBin′₃,…,PBin′₈}，并将PBin′转换成十进制数。

6.一种图像加密装置，其特征在于，包括：

全局置乱模块：被配置为将m行n列个像素构成的原图像P_m×n按照先行后列的顺序转换成长度为m×n的一维序列P＝{p₁,p₂,p₃,…,p_m×n}；将预设的双混沌系统迭代m×n次，以得到长度为m×n的第一混沌序列fl＝{fl₁,fl₂，fl₃，…,fl_m×n}，并对fl进行预设的第一变换，以得到一次混沌序列；利用所述一次混沌序列置乱所述一维序列P，得到全局置乱图像P′＝{p′₁，p′₂,p′₃,…，p′_m×n}；

比特置乱模块：被配置为将所述双混沌系统继续迭代m×n次，以得到长度为m×n的第二混沌序列flb＝{flb₁，flb₂，flb₃,…,flb_m×n}，并对flb进行预设的第二变换，以得到二次混沌序列；通过将所述全局置乱图像P′中的每一个像素值转换成比特序列并利用所述二次混沌序列置乱所述比特序列，得到像素值比特置乱后的密文图像。

7.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可由所述处理器执行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至5中任意一项所述的方法。

8.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令在被计算机执行时，使所述计算机实现根据权利要求1至5中任一所述的方法。