CN113099069A - 基于三维螺旋模型的多图像加密方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于三维螺旋模型的多图像加密方法,属于信息加密领域。数字图像信息在互联网中传输容易泄露或被篡改,安全隐患问题日益严重。为保证多幅图像在网络平台下安全、可靠地传输,本发明提出了一种基于三维螺旋模型的多图像加密方法。该方法采用置乱‑扩散框架。其中,置乱阶段将多图像的三维矩阵结构和传统的螺旋变换相结合,建立了一个三维螺旋模型,并利用该模型对k幅原始图像进行置乱操作;扩散阶段对三维置乱图像矩阵进行分块操作,再进行块内和块间扩散,产生k幅加密图像。实验结果和算法分析表明:该方法可同时保护多幅图像内容,加密效果良好,安全性强且高效。

Description

基于三维螺旋模型的多图像加密方法
技术领域
本发明涉及一种信息加密技术,特别是涉及一种多图像加密方法。
背景技术
如今,大量的数字图像产生于许多领域,如军事、医学、国家安全、教育和个人事务。同时,每时每刻都有海量的数字图像信息在互联网中传输。由于图像中经常包含秘密或私人隐私,在网络中传输容易被攻击者非法攻击,导致这些信息泄露和篡改,面临巨大的威胁。因此,图像加密已成为学术界和实际应用中的热点问题。
数字图像具有直观、生动、形象、信息量大和冗余度高等特征。为保障图像内容的网络存储和传输安全性,人们提出了多种图像加密方法。然而,目前的图像加密方法往往存在加密容量有限、加密效率低或安全性弱等问题。
为保护多图像网络传输和存储的安全,将多图像的三维矩阵结构和传统的螺旋变换相结合,建立一个三维螺旋模型,提出了一种基于三维螺旋模型的多图像加密方法。该方法利用三维螺旋模型进行置乱操作,提高了加密效果的高效性和安全性。
发明内容
本发明的目的:针对现有的多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,提出一种基于三维螺旋模型的多图像加密方法。
本发明的技术方案:为实现上述发明目的,采用的技术方案为基于三维螺旋模型的多图像加密方法,令发送方为Alice,接收方为Bob;Alice的加密步骤详述如下:
步骤1:图像立体化:令k幅原始图像I 1 1, I 1 2, …, I 1 k ,其大小分别为m i ×n i i=1,2, …, k),令m=max{m 1, m 2, …, m k },n=max{n 1, n 2, …, n k },对k幅原始图像进行填补操作,转变成大小均为m×n的图像I 2 1, I 2 2, …, I 2 k ;再将I 2 1, I 2 2, …, I 2 k 组合成一个大小为m×n×k的三维图像矩阵A
步骤2:建立三维螺旋模型:将A的三维矩阵结构和传统的螺旋变换相结合,建立一个三维螺旋模型;
步骤3:图像立体置乱:利用建立的三维螺旋模型对A中所有的元素进行置乱,可得一个大小为m×n×k的三维置乱图像矩阵B
步骤4:图像矩阵分块:将B分割成s块大小均为l×w×h的图像块,可得一个图像块集合D={d i } s ;其中,l, wh需满足mod(m, l)=0,mod(n, w)=0且mod(k, h)=0,图像块的数量s=(m/l)×(n/w)×(k/h),d i 是任一大小为l×w×h的图像块;
步骤5:生成混沌序列:随机选取二维Henon映射初始值x 0, y 0按照公式(1)迭代m×n×k次,可得两个混沌序列X 1 ={x 1 i } s Y 1 ={y 1 i } s
Figure 617653DEST_PATH_IMAGE001
, (1)
其中,x i ∈(0, 1),y i ∈(0, 1),控制参数a=1.4和b=0.3;
步骤6:混沌序列整数化:计算,
x 2 i = mod(floor(x 1 i ×1010), 256),i=1, 2, …, s, (2)
y 2 i = mod(floor(y 1 i ×1010), 256),i=1, 2, …, s, (3)
其中,mod(·)为取模运算函数,floor(·)为取整函数,x 1 i X 1, y 1 i X 1,产生两条整数混沌序列为X 2 ={x 2 i } s Y 2 ={y 2 i } s
步骤7:生成混沌块集合:将X 2重塑成s个大小均为l×w×h的混沌块,可得一个混沌块集合Z={z i } s z i 是任一大小为l×w×h的混沌块;类似地,对Y 2进行重塑,可得一个混沌块集合U={u i } s u i 是任一大小为l×w×h的混沌块;
步骤8:图像块内扩散:计算,
p i = d i z i i=1, 2, …, s, (4)
其中,⊕为异或运算,d i Dz i Z,可得一个新的图像块集合P={p i } s p i 为任一扩散后的图像块;
步骤9:图像块间扩散:计算,
q 1 = p 1u 1, (5)
q i = mod((p i +q i-1), 256)⊕u i i=2, 3, …, s, (6)
其中,p i Pu i U,可得一个新的图像块集合Q={q i } s q i 为任一扩散后的图像块;按照一定的顺序,将Q重塑成k幅大小均为m×n的图像,即为最终的k幅加密图像I 3 1, I 3 2,…, I 3 k
进一步地,所述步骤2中,三维螺旋模型是指把一个大小为m×n×k的三维图像矩阵A视为k个大小为m×n的二维矩阵进行处理;首先,选定这k个矩阵的中心位置分别作为螺旋起点;其次,利用传统的螺旋变换对这k个矩阵中的所有元素进行扫描,可得k个对应的一维向量;再次,将这k个向量中位置相同的元素排放在一起,并将所有排序结果依次连接,可得一个长度为m×n×k的向量;最后,依照元素顺序,将该向量重塑成一个新的大小为m×n×k的三维图像矩阵B,即为A对应的三维置乱矩阵。
在解密过程中,利用相同的混沌序列对k幅加密图像I 3 1, I 3 2, …, I 3 k 进行解密操作,可恢复出k幅原始图像;Bob的解密过程是Alice加密过程的逆过程。
有益效果:本发明针对目前的图像加密方法存在的加密容量有限,加密效率低或安全性弱等问题,提出一种基于三维螺旋模型的多图像加密方法。主要贡献有以下3点:(1)将多图像的三维矩阵结构和传统的螺旋变换相结合,建立了一个三维螺旋模型;(2)基于建立的三维螺旋模型,提出了一种基于三维螺旋模型的多图像加密方法;(3)实验结果和方法分析表明:新方法可同时加密多幅图像,加密效果良好,安全性强且高效,可实现多图像内容的网络传输和存储安全。
附图说明
图1:基于三维螺旋模型的多图像加密流程图;
图2:原始图像集;
图3:5幅大小均为4×4的矩阵三维螺旋模型示意图;
图4: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方式进行进一步详细说明。
图1是基于三维螺旋模型的多图像加密流程图。
采用的编程软件为Matlab R2018a,任意选取如图2所示的9幅大小不一的灰度图像作为原始图像集。采用提出的基于三维螺旋模型的多图像加密方法,Alice的加密过程详述如下。
步骤1:图像立体化:选取9幅尺寸不同的灰度图像I 1 1, I 1 2, …, I 1 9,将其填补成大小均为512×512的图像I 2 1, I 2 2, …, I 2 9,再将I 2 1, I 2 2, …, I 2 9组合成一个大小为512×512×9的三维图像矩阵A
步骤2:建立三维螺旋模型:将A的三维矩阵结构和传统的螺旋变换相结合,建立一个三维螺旋模型;图3是5幅大小均为4×4的矩阵三维螺旋模型示意图。
步骤3:图像立体置乱:利用建立的三维螺旋模型对A中所有的元素进行置乱,可得一个大小为512×512×9的三维置乱图像矩阵B
步骤4:图像矩阵分块:将B分割成196608块大小均为2×2×3的图像块,可得一个图像块集合D={d i }196608d i 是任意大小为2×2×3的图像块。
步骤5:生成混沌序列:随机选取二维Henon映射的初始值x 0, y 0按照公式(1)迭代512×512×9次,可得两个混沌序列X 1 ={x 1 i }196608Y 1 ={y 1 i }196608
步骤6:混沌序列整数化:利用X 1, Y 1及公式(2)和(3),可产生两条整数混沌序列为X 2 ={x 2 i }196608Y 2 ={y 2 i }196608
步骤7:生成混沌块集合:将X 2重塑成196608个大小为2×2×3的混沌块,可得一个混沌块集合Z={z i }196608;类似地,对Y 2进行重塑,可得一个混沌块集合U={u i }196608
步骤8:图像块内扩散:利用序列Z和公式(4)对每个图像块d i 的内部进行扩散操作,可得到图像块集合P={p i }196608
步骤9:图像块间扩散:利用序列U及公式(5)和(6)可得到 一个新的图像块集合Q={q i }196608;按照一定的顺序将Q重塑成9幅大小为512×512的图像,即为最终的9幅加密图像I 3 1, I 3 2, …, I 3 k ,如图4所示。
在解密过程中,利用相同的混沌序列,对加密图像集进行解密操作,可得原始图像集,同图2所示。Bob的解密过程是Alice加密的逆过程。

Claims (2)

1.基于三维螺旋模型的多图像加密方法,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幅原始图像I 1 1, I 1 2, …, I 1 k ,其大小分别为m i ×n i i=1, 2,…, k),令m=max{m 1, m 2, …, m k },n=max{n 1, n 2, …, n k },对k幅原始图像进行填补操作,转变成大小均为m×n的图像I 2 1, I 2 2, …, I 2 k ;再将I 2 1, I 2 2, …, I 2 k 组合成一个大小为m×n×k的三维图像矩阵A
步骤2:建立三维螺旋模型:将A的三维矩阵结构和传统的螺旋变换相结合,建立一个三维螺旋模型;
步骤3:图像立体置乱:利用建立的三维螺旋模型对A中所有的元素进行置乱,可得一个大小为m×n×k的三维置乱图像矩阵B
步骤4:图像矩阵分块:将B分割成s块大小均为l×w×h的图像块,可得一个图像块集合D={d i } s ;其中,l, wh需满足mod(m, l)=0,mod(n, w)=0且mod(k, h)=0,图像块的数量s=(m/l)×(n/w)×(k/h),d i 是任一大小为l×w×h的图像块;
步骤5:生成混沌序列:随机选取二维Henon映射初始值x 0, y 0按照公式(1)迭代m×n×k次,可得两个混沌序列X 1 ={x 1 i } s Y 1 ={y 1 i } s
Figure 436529DEST_PATH_IMAGE001
, (1)
其中,x i ∈(0, 1),y i ∈(0, 1),控制参数a=1.4和b=0.3;
步骤6:混沌序列整数化:计算,
x 2 i = mod(floor(x 1 i ×1010), 256),i=1, 2, …, s, (2)
y 2 i = mod(floor(y 1 i ×1010), 256),i=1, 2, …, s, (3)
其中,mod(·)为取模运算函数,floor(·)为取整函数,x 1 i X 1, y 1 i X 1,产生两条整数混沌序列为X 2 ={x 2 i } s Y 2 ={y 2 i } s
步骤7:生成混沌块集合:将X 2重塑成s个大小均为l×w×h的混沌块,可得一个混沌块集合Z={z i } s z i 是任一大小为l×w×h的混沌块;类似地,对Y 2进行重塑,可得一个混沌块集合U={u i } s u i 是任一大小为l×w×h的混沌块;
步骤8:图像块内扩散:计算,
p i = d i z i i=1, 2, …, s, (4)
其中,⊕为异或运算,d i Dz i Z,可得一个新的图像块集合P={p i } s p i 为任一扩散后的图像块;
步骤9:图像块间扩散:计算,
q 1 = p 1u 1, (5)
q i = mod((p i +q i-1), 256)⊕u i i=2, 3, …, s, (6)
其中,p i Pu i U,可得一个新的图像块集合Q={q i } s q i 为任一扩散后的图像块;按照一定的顺序,将Q重塑成k幅大小均为m×n的图像,即为最终的k幅加密图像I 3 1, I 3 2, …,I 3 k
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述步骤2中,三维螺旋模型是指把一个大小为m×n×k的三维图像矩阵A视为k个大小为m×n的二维矩阵进行处理;首先,选定这k个矩阵的中心位置分别作为螺旋起点;其次,利用传统螺旋变换对这k个矩阵中的所有元素进行扫描,可得k个对应的一维向量;再次,将这k个向量中位置相同的元素排放一起,并将所有排序结果依次连接,可得一个长度为m×n×k的向量;最后,依照元素顺序,将该向量重塑成一个新的大小为m×n×k的三维图像矩阵B,即为A对应的三维置乱矩阵。
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