CN114301581A - 基于hms映射和比特位螺旋变换的彩色图像加密算法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于HMS映射和比特位螺旋变换的彩色图像加密算法。该算法提出基于二维Henon耦合Sine的Henon‑Modulated‑Sine(HMS)映射，并将其应用于图像加密领域，设计一种HMS与比特位螺旋变换(Bite‑Spiral)相结合的(HMS‑BS)图像加密算法。首先，将彩色图像的三个通道值转换成二进制矩阵，对矩阵进行分块后进行比特位螺旋操作；然后，利用HMS映射产生的混沌序列对螺旋后的矩阵进行一轮扩散；最后，随机交换R、G、B三平面，对像素值进行正反向非序列二轮扩散。实验结果表明HMS‑BS算法适用于各种类型的图像加密，具有较高的安全性。

Description

基于HMS映射和比特位螺旋变换的彩色图像加密算法

技术领域

本发明涉及加密技术领域，具体是一种基于HMS映射比特位螺旋变换的彩色图像加密算法。

背景技术

数字图像作为当前主要的信息传输载体，具有数据量大、数据相关性强、数据冗余度高等特点，在互联网中广泛传播。然而，非法用户一旦获取或者篡改图像中的私密信息，将直接损害图像发行者的利益。因此，如何安全地在网络中传输图像成为重要的课题之一。

传统的DES、AES和RSA算法一般用于文本加密，图像加密的效果并不理想。由于混沌系统具有随机性、不可预测性、非周期性、对初始值和参数的高度敏感性，使得混沌更适合于数字图像加密系统。混沌理论的引入使图像加密发展到一个新的阶段。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于HMS映射比特位螺旋变换的彩色图像加密算法，该加密算法使用Henon映射调整Sine映射得到HMS映射，进行比特位螺旋变换，同时改变像素的位置和数值。交换R、G、B三平面，利用HMS映射产生的混沌序列对像素值进行正逆方向相反的扩散，提高了加密算法的安全性。

本发明实现发明目的采用如下技术方案：

为实现上述发明目的，采用的技术方案位一种基于HMS映射比特位螺旋变换的彩色图像加密算法加密步骤详述如下：

步骤1:通过SHA-512算法，得到512位摘要值进行异或操作获取256位数值，对数值进行运算获得图像加密算法的密钥值。

步骤2:密钥值作为HMS混沌映射的初始值，产生加密算法过程中所需要的混沌随机序列。

步骤3：交换R、G、B三平面，使用混沌随机序列进行加密算法过程中的扩散阶段，完成图像加密。

1、作为优选，本发明采用SHA-512算法生成混沌序列初始值，具体操作步骤如下：

步骤1：对图像进行SHA-512操作，通过SHA-512生成512位的摘要值，设摘要值的前256位为k₁，后256位为k₂，初始密钥k＝{x₀,y₀,μ,w₁,w₂,w₃,w₄,w₅}由式 (1)可得。

根据式(2)获取HMS映射的初始值x₀和y₀，控制参数μ，w_i为干扰参数。

根据式(3)获取五个混沌序列的初始值，其中i的取值为1-5，sum为明文像素值的总和。

2、作为优选，本发明提供一种Henon耦合Sine的HMS映射，通过Henon调整Sine映射的输入,获取HMS映射，如式(4)，使得混沌映射区间增大，随机性更强，提高了加密算法的安全性。

3、作为优选，本发明提供一种比特位螺旋的加密算法，具体步骤如下：

步骤1:扫描明文图像生成矩阵A。

步骤2:将矩阵A进行二进制转换得到二进制矩阵A₁，将A₁进行分块，分成8 x8的矩阵，然后进行位螺旋变换，最后对变换后的矩阵进行重构得到位级置乱后的矩阵A'。

步骤3：利用SHA-512产生混沌序列的初始密钥，经过mod操作获取映射初始值。

步骤4:将初始值带入HMS映射进行迭代得到五个随机序列，其中三个对R、 G、B平面进行简单异或操作，另外两个进行正逆扩散

步骤5：交换R、G、B三平面，进行异或，并整合三个平面，使用mod运算符，对整合后的矩阵进行正逆方向扩散操作，过程如下所示，最终完成图像加密，获得加密后的图像M。

(1)交换A′_r、A′_g、A′_b三平面的位置。三平面有五种交换方式：A′_r、A′_b、A′_g；A′_g、 A′_r、A′_b；A′_g、A′_b、A′_r；A′_b、A′_r、A′_g；A′_b、A′_g、A′_r。随机选取一种方式进行三平面交换。

(2)利用第一步产生的初始值和控制参数代入HMS映射进行迭代产生与A′_r、A′_g、A′_b大小相同的矩阵B_r、B_g、B_b，然后进行式(5)操作。

(3)利用HMS映射产生和C大小相同的矩阵D，然后利用式(6)进行正向扩散操作。

(4)利用HMS映射产生和C大小相同的矩阵E，然后利用式(7)进行反向扩散操作。

有益效果

本发明与现有技术相比，其有益效果体现在：

(1)本发明使用SHA-512的加密算法获取512位摘要值，并将摘要值的前256位和后256位进行异或运算，获取加密算法的密钥。

(2)本发明使用的混沌映射为HMS映射，其随机性以及对初始值敏感性都得到提高；

(1)本发明使用的比特位螺旋变换，可以同时改变像素的位置和像素值，对螺旋矩阵进行两轮扩散操作，使得加密算法安全性更高。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是基于HMS映射比特位螺旋变换的彩色图像加密流程图；

图2是HMS混沌映射分岔图；

图3是原始图像；

图4是加密图像。

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 R2018b，选取图4所示的大小为512x 512的彩色图像作为原始图像A。采用本方法，对原始图像加密的详细过程描述如下。

步骤1:输入明文图像以及密钥,通过SHA-512获取密钥值。

步骤2:输入密钥，使用HMS混沌映射进行迭代，获得与明文像素数组大小相同的随机序列。

步骤3：使用螺旋变换方式，完成图像的bit级置乱，得到置乱后的图像A'。

步骤4：使用(6-7)式完成对置乱数组的两轮正逆方向相反的扩散算法，得到最终的加密图像M，如图4所示。

Claims (4)

1.一种基于HMS映射和比特位螺旋变换的彩色图像加密算法，其特征在于：加密过程如下：

步骤1:通过SHA-512算法，得到512位摘要值进行异或操作获取256位数值，对数值进行运算获得图像加密算法的密钥值。

步骤2:密钥值作为HMS混沌映射的初始值，产生加密算法过程中所需要的混沌随机序列。

步骤3：交换R、G、B三平面，使用混沌随机序列进行加密算法过程中的扩散阶段，完成图像加密。

2.根据权利要求1所述的采用SHA-512算法生成混沌序列初始值，其特征在于：具体操作步骤如下：

步骤1：对图像进行SHA-512操作，通过SHA-512生成512位的摘要值，设摘要值的前256位为k₁，后256位为k₂，初始密钥k＝{x₀,y₀,μ,w₁,w₂,w₃,w₄,w₅}由式(1)可得。

根据式(2)获取HMS映射的初始值x₀和y₀，控制参数μ，w_i为干扰参数。

根据式(3)获取五个混沌序列的初始值，其中i∈[1,5]，sum为明文像素值的总和。

3.根据权利要求1所述的一种Henon耦合Sine的HMS映射，其特征在于：通过Henon调整Sine映射的输入,获取HMS映射，如式(4)，使得混沌映射区间增大，随机性更强，提高了加密算法的安全性。

4.根据权利要求1所述的一种比特位螺旋的加密算法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤1:扫描明文图像生成矩阵A。

步骤2:将矩阵A进行二进制转换得到二进制矩阵A₁，将A₁进行分块，分成8x8的矩阵，然后进行位螺旋变换，最后对变换后的矩阵进行重构得到位级置乱后的矩阵A'。

步骤3：利用SHA-512产生混沌序列的初始密钥，经过mod操作获取映射初始值。

步骤4:将初始值带入HMS映射进行迭代得到五个随机序列，其中三个对R、G、B平面进行简单异或操作，另外两个进行正逆扩散步骤5：交换R、G、B三平面，进行异或，并整合三个平面，使用mod运算符，对整合后的矩阵进行正逆方向扩散操作，过程如下所示，最终完成图像加密，获得加密后的图像M。

(1)交换A′_r、A′_g、A′_b三平面的位置。三平面有五种交换方式：A′_r、A′_b、A′_g；A′_g、A′_r、A′_b；A′_g、A′_b、A′_r；A′_b、A′_r、A′_g；A′_b、A′_g、A′_r。随机选取一种方式进行三平面交换。

(2)利用第一步产生的初始值和控制参数代入HMS映射进行迭代产生与A′_r、A′_g、A′_b大小相同的矩阵B_r、B_g、B_b，然后进行式(5)操作。

(3)利用HMS映射产生和C大小相同的矩阵D，然后利用式(6)进行正向扩散操作。

(4)利用HMS映射产生和C大小相同的矩阵E，然后利用式(7)进行反向扩散操作。

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