CN113746619A - 预定义时间同步控制的图像加密方法、解密方法及系统 - Google Patents

预定义时间同步控制的图像加密方法、解密方法及系统 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种预定义时间同步控制的图像加密方法、解密方法及系统，包括以下步骤：获取原始图像；根据获取的原始图像和预设的加密模型，得到加密图像；其中，所述加密模型采用预定义时间同步控制调控混沌序列。本公开可应用到文字、视频等信号的加密中，加密图像是由二维复值系统将原图经过置乱和扩散得到，加密方案复杂，安全性强不易破解，具有较强的适用性。

Description

预定义时间同步控制的图像加密方法、解密方法及系统
技术领域
本公开属于图像处理技术领域，具体涉及一种预定义时间同步控制的图像加密方法、解密方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
近年来，类脑智能与神经网络得到了飞速发展，联想记忆作为反映类脑认知的一项基本能力，联想记忆(BAM)神经网络已经被成功地应用于自动化控制、模式识别和人工智能等领域。忆阻器由于其纳米尺寸、低功耗和易于大规模集成等优势，被认为是模拟神经突触的完美器件，相比传统的人工神经网络，忆阻神经网络可以更好地模拟人脑的结构和功能。
预定义时间稳定是一个全新的概念，是一种特殊的固定时间稳定。目前已有大量学者对固定时间稳定进行了深入的研究，但最大的问题就是很难找到系统参数和稳定时间上界之间的明确关系。预定义时间稳定就可以解决上述问题。在控制器设计过程中将预定的时间作为参数，通过调整该参数即可得到系统达到稳定的时间上界。鉴于该上界可控且不依赖于系统的初值，在安全通信、智能机器人、车辆监控、图像处理等领域具有广阔的应用前景。在预定义时间理论下实现图像加密解密能够提高保密性且代价小，是一个值得研究的课题，相关的研究还很少。
目前，已有的图像加密解密方案大多是基于固定时间稳定性理论，且给出的上界估计公式不够精确，使得图像加密时存在安全性不强、加密效率不高等问题。
发明内容
为了解决上述问题，本公开提出了一种预定义时间同步控制的图像加密方法、解密方法及系统，通过调整参数提高图像加密解密的效率和安全性。
根据一些实施例，本公开的第一方案提供了一种基于预定义时间同步控制的图像加密方法，采用如下技术方案：
一种基于预定义时间同步控制的图像加密方法，包括以下步骤：
获取原始图像；
根据获取的原始图像和预设的加密模型，得到加密图像；
其中，所述加密模型采用预定义时间同步控制调控混沌序列。
作为进一步的技术限定，在获取待处理的原始图像之前，基于复值型联想记忆神经网络构造驱动系统和响应系统，将驱动系统和响应系统的同步稳定性问题转化为误差系统的稳定性问题，构建完全同步误差系统；基于控制器和预定义时间稳定性定理判断驱动系统和响应系统是否达到预定义时间同步，达到预定义时间同步后构造误差系统平衡状态的能量函数。
进一步的，所述预定义时间同步是一种通过调节控制器参数进行同步时间上界设置的固定时间同步。
进一步的，所述加密模型进行图像加密的过程为：
根据驱动系统第一层第一个结点的实部和虚部分别选择第一混沌序列和第二混沌序列，并对得到的第一混沌序列和第二混沌序列分别做降序处理得到第一索引序列和第二索引序列；
根据得到的第一索引序列和第二索引序列分别对第一通道、第二通道和第三通道的原始图像的像素点位置置乱，在各个通道中，分别利用第一索引序列置乱图像的一半，第二索引序列置乱原始图像的另一半，得到三张置乱后图像；
在第一通道中，基于驱动系统第一层第二个结点进行图像加密，将偶数行像素点和第一层第二个结点的实部所产生的第三混沌序列进行异或加密，将奇数行像素点与第一层第二个结点的虚部所产生的第四混沌序列进行异或加密；在第二通道和第三通道中，采用与第一通道加密过程一致的方式，分别利用驱动系统第二层第一个结点和第二层第二个结点进行加密，将得到的三个通道的加密图进行通道融合，结合cat函数合成原始图像的整体加密图。
根据一些实施例，本公开的第二方案提供了一种基于预定义时间同步控制的图像解密方法，采用如下技术方案：
一种基于预定义时间同步控制的图像解密方法，包括以下步骤：
获取加密图像；
根据获取的加密图像和预设的解密模型，得到解密图像；
其中，所述解密模型采用预定义时间同步控制调控混沌序列。
作为进一步的技术限定，所述加密图像采用第一方案中所述的加密图像或直接获取的加密图像。
作为进一步的技术限定，所述解密模型进行图像解密的过程为：
基于响应系统第一层第二个结点所产生的第五混沌序列与第一通道加密图像进行异或处理，得到恢复像素点值的第一通道图像；同理，分别利用响应系统第二层第一个结点和第二层第二个结点对第二通道加密图像和第三通道加密图像进行异或处理，分别得到恢复像素点值的第二通道图像和恢复像素点值的第三通道图像；
根据响应系统第一层第一个结点的实部和虚部分别选择第六混沌序列和第七混沌序列，并对得到的第六混沌序列和第七混沌序列分别做降序处理得到第三索引序列和第四索引序列；
基于第三索引序列和第四的降序索引恢复图像的像素点位置，得到解密图像。
根据一些实施例，本公开的第三方案提供了一种基于预定义时间同步控制的图像加密解密系统，采用如下技术方案：
一种基于预定义时间同步控制的图像加密解密系统，包括图像加密子系统和图像解密子系统；其中，所述图像加密子系统采用了第一方案中所述的基于预定义时间同步控制的图像加密方法中的步骤，所述图像解密子系统采用了第二方案中所述的基于预定义时间同步控制的图像解密方法中的步骤。
根据一些实施例，本公开的第四方案提供了一种计算机可读存储介质，采用如下技术方案：
一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如第一方案中所述的基于预定义时间同步控制的图像加密方法中的步骤和第二方案中所述的基于预定义时间同步控制的图像解密方法中的步骤。
根据一些实施例，本公开的第五方案提供了一种电子设备，采用如下技术方案：
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程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方案中所述的基于预定义时间同步控制的图像加密方法中的步骤和第二方案中所述的基于预定义时间同步控制的图像解密方法中的步骤。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开根据需要对于同步时间进行预先设定，在预定的时间后进行加解密，能够更加准确的调控混沌序列，提高图像加密的安全性，图像加密及安全通信等研究提供了一个崭新的视角；
本公开所采用的混沌图像加密算法更加复杂，密钥空间大，更难破解；
本公开所提出的方案可应用到文字、视频等信号的加密中，加密图像是由二维复值系统将原图经过置乱和扩散得到，加密方案复杂，安全性强不易破解，具有较强的适用性。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是本公开实施例一中基于预定义时间同步控制的图像加密方法的流程图；
图2是本公开实施例一中基于预定义时间同步控制的图像加密方法的方案图；
图3是本公开实施例一中的“Lena”原图；
图4是本公开实施例一中的经过像素点之乱后的“Lena”图；
图5是本公开实施例一中的加密后的“Lena”图；
图6是本公开实施例二中的基于预定义时间同步控制的图像解密方法的流程图；
图7是本公开实施例二中的基于预定义时间同步控制的图像解密方法的方案图；
图8是本公开实施例二中的解密后的“Lena”图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本公开实施例一介绍了一种基于预定义时间同步控制的图像加密方法。
如图1所示的一种基于预定义时间同步控制的图像加密方法，包括以下步骤：
获取原始图像；
根据获取的原始图像和预设的加密模型，得到加密图像；
其中，所述加密模型采用预定义时间同步控制调控混沌序列。
下面，分别进行加密过程的详细介绍。
首先，建立二维的驱动-响应系统，具体过程如下：
(1)构造以下基于复值型BAM忆阻神经网络作为驱动系统：
Figure BDA0003248024670000081
其中，
Figure BDA0003248024670000082
和
Figure BDA0003248024670000083
分别表示第i个和第j个神经元的复值状态向量，u包括实部R和虚部I，
Figure BDA0003248024670000084
和
Figure BDA0003248024670000085
表示神经元自抑制率，
Figure BDA0003248024670000086
和
Figure BDA0003248024670000087
表示激活函数，τ()和σ()表示泄漏时变时滞。
忆阻连接权重的定义如下：
Figure BDA0003248024670000088
Figure BDA0003248024670000089
Figure BDA00032480246700000810
Figure BDA00032480246700000811
Figure BDA00032480246700000812
Figure BDA00032480246700000813
其中，参数Ti，T′j，Δi，Δ′i，Λj，Λ′j都为非负常数，i＝1,2；j＝1,2.
需要说明的是，对于两个结构相同的系统，当初始值不同时，其运动轨迹也不相同，此时需要在响应系统的每个节点上添加一个控制器，控制器是根据系统参数和预定义时间稳定性理论设计的，目的是能够使得驱动响应系统达到同步。当系统同步后，加密才可以进行。
(2)构造以下带有控制输入的复值型BAM忆阻神经网络作为响应系统：
Figure BDA0003248024670000091
其中，
Figure BDA0003248024670000092
和
Figure BDA0003248024670000093
分别表示第i个和第j个神经元的复值状态向量，u包括实部R和虚部I，
Figure BDA0003248024670000094
和
Figure BDA0003248024670000095
表示神经元自抑制率，
Figure BDA0003248024670000096
和
Figure BDA0003248024670000097
表示激活函数，τ()和σ()表示泄漏时变时滞；
Figure BDA0003248024670000098
和
Figure BDA0003248024670000099
表示设计的控制器，可以有效控制驱动-响应系统达到预定义时间同步。
在本实施例中，驱动响应系统的参数如下：
神经元自抑制率：
Figure BDA00032480246700000910
激活函数：
Figure BDA00032480246700000911
时变时滞：τ(t)＝t+0.1sin(t),σ(t)＝t-0.1cos(t)；
状态初始值：φ1R(s)＝(0.9,-1)T,φ1I(s)＝(1.1,0.75)T，
φ2R(s)＝(0.5,-0.8)T,φ2I(s)＝(-0.6,1.4)T；
忆阻权重参数如下：
Figure BDA0003248024670000101
Figure BDA0003248024670000102
Figure BDA0003248024670000103
Figure BDA0003248024670000104
Step8-2：控制器如下：
Figure BDA0003248024670000105
经过计算，Gc＝1.2。在控制器的作用下，驱动-响应系统在Tc＝0.2秒内达到同步。
其次，根据驱动-响应系统构建完全同步误差系统；
驱动-响应系统的同步稳定性问题被转化为研究误差系统的稳定性问题，根据误差系统的定义ei(t)＝yi(t)-xi(t),可得误差系统如下：
Figure BDA0003248024670000106
再次，采用保守性较低的预定义时间稳定性定理；
预定义时间稳定性定理是保证系统实现预定义时间稳定的判定准则，所采用的定理如下：
令Tc>0是用户自定义的参数，存在一个正则、正定、无界连续函数V(s):Rn→R+以及存在常数a,b,c＞0,0＜p＜1,q＞1满足：
Figure BDA0003248024670000111
其中
Figure BDA0003248024670000112
那么误差系统的零解是预定义时间稳定的。
最后，设计合理的预定义时间同步控制器，并构建合适的能量函数实现误差系统的预定义时间稳定性。
通过给响应系统设计合适的控制器，基于预定义时间稳定性定理，使得驱动-响应系统达到预定义时间同步。所设计的控制器如下：
Figure BDA0003248024670000113
预定义时间同步是一种特殊的固定时间同步，与固定时间同步相同的是，相应的同步时间有一个确定的上界，该上界不依赖于系统的初始值，只与系统参数和控制器参数有关。与固定时间同步不同的是，固定时间同步很难找到系统参数或控制器参数与上界之间的明确关系，而预定义时间同步可以在控制器设计过程中加入参数Tc,通过调整控制器参数可以设置同步时间上界。
李雅普诺夫函数也叫做能量函数，可类比为一个具有一定能量的物理系统，若系统能量随着时间递减，且减少的能量不会恢复，最后此系统一定会静止于某个特定的状态，我们称这个特定状态为平衡状态。本实施例中构造的李雅普诺夫函数如下：
Figure BDA0003248024670000121
其中
Figure BDA0003248024670000122
对每个分量进行求导，最终得：
Figure BDA0003248024670000123
其中，λ＝min{mini(λ3i),minj(k3j)},
Figure BDA0003248024670000124
ω＝min{mini(λ2i),minj(k2j)}.
根据预定义时间稳定性定理，驱动系统(1)和响应系统(2)可以在控制器(3)的作用下实现预定义时间稳定性。
如图2所示的一种基于复值型BAM忆阻神经网络预定义时间控制的图像加密方法，以经典的“Lena”图为例，具体步骤包括：
a.选择大小为256*256的RGB“Lena”原图，如图3所示；
b.根据驱动系统第一层第一个结点的实部和虚部分别选择两个混沌序列
Figure BDA0003248024670000125
和
Figure BDA0003248024670000126
降序后得到两个索引序列，分别为
Figure BDA0003248024670000131
Figure BDA0003248024670000132
其中，Round是四舍五入函数，在此表示将
Figure BDA0003248024670000133
和
Figure BDA0003248024670000134
四舍五入到小数点左侧三位。Sort表示排序，以descens降序排列；
Figure BDA0003248024670000135
和
Figure BDA0003248024670000136
表示降序后得到的两个索引序列。
c.根据索引序列分别对R，G，B图像进行像素点位置置乱，索引1置乱图像的一半，索引2置乱图像的另一半，得到如图4所示的三张置乱后的图片，分别为：
NR＝reshape(R，M，N)，
NG＝reshape(G，M，N)，
NB＝reshape(B，M，N)；
d.对于R通道来说，用驱动系统第一层第二个结点进行加密。偶数行像素点与该结点的实部产生的混沌序列进行异或加密，奇数行像素点与该结点虚部产生的混沌序列进行异或加密。G、B通道分别用第二层第一个结点和第二层第二个结点进行加密，最后得到如图5所示的总体加密图；即：
Figure BDA0003248024670000137
i＝1，2，...，M，j＝1，2，...，N
if mod(i，2)＝＝0
x11(i，j)＝108(x1(k)-floor(x1(k)))
x11(i，j)＝mod(x11(i，j)，256)
newR(i，j)＝bitxor(R(i，j)，floor(x11(i，j)))；
else
x22(i，j)＝108(x2(k)-floor(x2(k)))
x22(i，j)＝mod(x22(i，j)，256)
newR(i，j)＝bitxor(R(i，j)，floor(x22(i，j)))
其中，X1(k)是第一层第二个结点实部产生的混沌序列，X2(k)是第一层第二个结点虚部产生的混沌序列，Mod是求余函数，floor是向下取整函数，bitxor是按位异或函数。
实施例二
本公开实施例二介绍了一种基于预定义时间同步控制的图像解密方法。
如图6所示的一种基于预定义时间同步控制的图像解密方法，包括以下步骤：
获取加密图像；
根据获取的加密图像和预设的解密模型，得到解密图像；
其中，所述解密模型采用预定义时间同步控制调控混沌序列。
在解密之前，驱动系统的构建过程详见实施例一中的相关记载。
如图7所示的一种基于复值型BAM忆阻神经网络预定义时间控制的图像解密方法，以经典的“Lena”图为例，具体步骤包括：
a.利用响应系统第一层第二个结点产生的混沌序列与加密后R图像进行异或，实际上是加密的反操作，得到恢复像素点值的R通道图像。利用响应系统第二层第一个结点、第二层第二个结点分别对G、B通道图像进行相同操作，恢复像素点值。
b.利用响应系统第一层第一个结点产生的混沌序列降序索引将图像的像素点位置复原。实部混沌序列索引恢复图像的一半，虚部混沌序列索引恢复图像的另一半，最终得到如图8所示的解密图像。
本实施例一中的解密过程是实施例一中加密过程的相反操作，当t＝0.2s后，驱动-响应系统达到同步，取得的混沌序列与驱动混沌序列一致，即可正确解密。
实施例三
本公开实施例三提供了基于预定义时间同步控制的图像加密解密系统。
一种基于预定义时间同步控制的图像加密解密系统，包括图像加密子系统和图像解密子系统；其中，所述图像加密子系统采用了实施例一中所述的基于预定义时间同步控制的图像加密方法中的步骤，所述图像解密子系统采用了实施例二中所述的基于预定义时间同步控制的图像解密方法中的步骤。
详细步骤与实施例一提供的基于预定义时间同步控制的图像加密方法和实施例二中提供的基于预定义时间同步控制的图像解密方法相同，在此不再赘述。
实施例四
本公开实施例四提供了一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如第一方案中所述的基于预定义时间同步控制的图像加密方法中的步骤和第二方案中所述的基于预定义时间同步控制的图像解密方法中的步骤。
详细步骤与实施例一提供的基于预定义时间同步控制的图像加密方法和实施例二中提供的基于预定义时间同步控制的图像解密方法相同，在此不再赘述。
实施例五
本公开实施例五提供了一种电子设备。
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程序，所述处理器执行时实现如第一方案中所述的基于预定义时间同步控制的图像加密方法中的步骤和第二方案中所述的基于预定义时间同步控制的图像解密方法中的步骤。
详细步骤与实施例一提供的基于预定义时间同步控制的图像加密方法和实施例二中提供的基于预定义时间同步控制的图像解密方法相同，在此不再赘述。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于预定义时间同步控制的图像加密方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取原始图像；
根据获取的原始图像和预设的加密模型，得到加密图像；
其中，所述加密模型采用预定义时间同步控制调控混沌序列。
2.如权利要求1中所述的一种基于预定义时间同步控制的图像加密方法，其特征在于，在获取待处理的原始图像之前，基于复值型联想记忆神经网络构造驱动系统和响应系统，将驱动系统和响应系统的同步稳定性问题转化为误差系统的稳定性问题，构建完全同步误差系统；基于控制器和预定义时间稳定性定理判断驱动系统和响应系统是否达到预定义时间同步，达到预定义时间同步后构造误差系统平衡状态的能量函数。
3.如权利要求2中所述的一种基于预定义时间同步控制的图像加密方法，其特征在于，所述加密模型进行图像加密的过程为：
根据驱动系统第一层第一个结点的实部和虚部分别选择第一混沌序列和第二混沌序列，并对得到的第一混沌序列和第二混沌序列分别做降序处理得到第一索引序列和第二索引序列；
根据得到的第一索引序列和第二索引序列分别对第一通道、第二通道和第三通道的原始图像的像素点位置置乱，在各个通道中，分别利用第一索引序列置乱图像的一半，第二索引序列置乱原始图像的另一半，得到三张置乱后图像；
在第一通道中，基于驱动系统第一层第二个结点进行图像加密，将偶数行像素点和第一层第二个结点的实部所产生的第三混沌序列进行异或加密，将奇数行像素点与第一层第二个结点的虚部所产生的第四混沌序列进行异或加密；在第二通道和第三通道中，采用与第一通道加密过程一致的方式，分别利用驱动系统第二层第一个结点和第二层第二个结点进行加密，将得到的三个通道的加密图进行通道融合，结合cat函数合成原始图像的整体加密图。
4.如权利要求2中所述的一种基于预定义时间同步控制的图像加密方法，其特征在于，所述预定义时间同步是一种通过调节控制器参数进行同步时间上界设置的固定时间同步。
5.一种基于预定义时间同步控制的图像解密方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取加密图像；
根据获取的加密图像和预设的解密模型，得到解密图像；
其中，所述解密模型采用预定义时间同步控制调控混沌序列。
6.如权利要求5中所述的一种基于预定义时间同步控制的图像解密方法，其特征在于，所述加密图像采用如权利要求1-4中任一项所得到的加密图像或直接获取的加密图像。
7.如权利要求5中所述的一种基于预定义时间同步控制的图像解密方法，其特征在于，所述解密模型进行图像解密的过程为：
基于响应系统第一层第二个结点所产生的第五混沌序列与第一通道加密图像进行异或处理，得到恢复像素点值的第一通道图像；同理，分别利用响应系统第二层第一个结点和第二层第二个结点对第二通道加密图像和第三通道加密图像进行异或处理，分别得到恢复像素点值的第二通道图像和恢复像素点值的第三通道图像；
根据响应系统第一层第一个结点的实部和虚部分别选择第六混沌序列和第七混沌序列，并对得到的第六混沌序列和第七混沌序列分别做降序处理得到第三索引序列和第四索引序列；
基于第三索引序列和第四的降序索引恢复图像的像素点位置，得到解密图像。
8.一种基于预定义时间同步控制的图像加密解密系统，其特征在于，包括图像加密子系统和图像解密子系统；
其中，所述图像加密子系统采用了权利要求1-4中任一项所述的基于预定义时间同步控制的图像加密方法中的步骤，所述图像解密子系统采用了如权利要求5-7中任一项所述的基于预定义时间同步控制的图像解密方法中的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-4中任一项所述的基于预定义时间同步控制的图像加密方法和如权利要求5-7中任一项所述的基于预定义时间同步控制的图像解密方法中的步骤。
10.一种电子设备，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1-4中任一项所述的基于预定义时间同步控制的图像加密方法和如权利要求5-7中任一项所述的基于预定义时间同步控制的图像解密方法中的步骤。
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