CN114338022B - 一种图像加密方法、系统、装置及计算机可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种图像加密方法、系统、装置及计算机可读存储介质，涉及图像处理领域，该图像加密方法包括：确定原始明文图像数据中分配给各位流加密系统的未加密明文图像数据，各位所述流加密系统并联；通过每一所述流加密系统对其接收到的所述未加密明文图像数据执行加密操作，所述加密操作包括：将所述未加密明文图像数据注入洛伦兹混沌系统的状态方程，得到与所述未加密明文图像数据一一对应的密钥流，基于所述密钥流和所述未加密明文图像数据得到密文图像数据。本申请加密灵活性强，采用并行加密，提高了加密速度，极大拓展了秘钥空间，增强了加密系统的鲁棒性，同时提高了加密安全性。

Description

一种图像加密方法、系统、装置及计算机可读存储介质

技术领域

本申请涉及图像处理领域，特别涉及一种图像加密方法、系统、装置及计算机可读存储介质。

背景技术

在各行各业中，如计算机视觉、机器人路径规划，医学影像处理等相关领域，图像数据的私密性已经成为了一个至关重要的问题。在图像传输过程中，通常采用块加密算法对图像进行加密传输，在加密时需要对图像每一行的数据依次进行加密，即先加密第一行的图像数据，然后再加密第二行图像数据，直至完成对最后一行图像数据的加密，加密速度慢。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

本申请的目的是提供一种图像加密方法、系统、装置及计算机可读存储介质，加密灵活性强，采用并行加密，提高了加密速度，极大拓展了秘钥空间，增强了加密系统的鲁棒性，同时提高了加密安全性。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种图像加密方法，该图像加密方法包括：

确定原始明文图像数据中分配给各位流加密系统的未加密明文图像数据，各位所述流加密系统并联；

通过每一所述流加密系统对其接收到的所述未加密明文图像数据执行加密操作，所述加密操作包括：

将所述未加密明文图像数据注入洛伦兹混沌系统的状态方程，得到与所述未加密明文图像数据一一对应的密钥流，基于所述密钥流和所述未加密明文图像数据得到密文图像数据。

可选的，所述确定原始明文图像数据中分配给各位流加密系统的未加密明文图像数据的过程包括：

根据所述流加密系统的位数及所述原始明文图像数据的总行数，确定原始明文图像数据中分配给各位流加密系统的未加密明文图像数据。

可选的，所述洛伦兹混沌系统为通过TS模糊模型转换后的洛伦兹混沌系统。

可选的，所述洛伦兹混沌系统的数学模型为：

；

其中，

为密钥流随时间的微分，y(t)为所述密文图像数据，C为输出矩阵，x(t)为所述密钥流，A _i 为系统矩阵，

为前件变量，

为关于

的函数。

可选的，所述将所述未加密明文图像数据注入洛伦兹混沌系统的状态方程，得到与所述未加密明文图像数据一一对应的密钥流的过程包括：

获取秘钥；

将所述未加密明文图像数据注入洛伦兹混沌系统的状态方程，通过所述秘钥得到与所述未加密明文图像数据一一对应的密钥流。

可选的，所述秘钥为系统初始值。

为解决上述技术问题，本申请还提供了一种图像加密系统，该图像加密系统包括：

确定模块，用于确定原始明文图像数据中分配给各位流加密系统的未加密明文图像数据，各位所述流加密系统并联；

加密模块，用于通过每一所述流加密系统对其接收到的所述未加密明文图像数据执行加密操作，所述加密操作包括：

将所述未加密明文图像数据注入洛伦兹混沌系统的状态方程，得到与所述未加密明文图像数据一一对应的密钥流，基于所述密钥流和所述未加密明文图像数据得到密文图像数据。

可选的，所述确定模块具体用于：

根据所述流加密系统的位数及所述原始明文图像数据的总行数，确定原始明文图像数据中分配给各位流加密系统的未加密明文图像数据。

为解决上述技术问题，本申请还提供了一种图像加密装置，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上文任意一项所述的图像加密方法的步骤。

为解决上述技术问题，本申请还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上文任意一项所述的图像加密方法的步骤。

本申请提供了一种图像加密方法，首先对原始明文图像数据中的未加密明文图像数据进行分配，以适应不同加密系统，增强灵活性，然后通过并联的多位流加密系统对原始明文图像数据中的各行未加密明文图像数据并行加密，提高加密速度，极大拓展了秘钥空间，增强了加密系统的鲁棒性，在加密过程中，密钥流的生成依赖于未加密明文图像数据，使得不同的未加密明文图像数据有不同的密钥流，从而使得加密安全性更高。本申请还提供了一种图像加密系统、图像加密装置及计算机可读存储介质，具有和上述图像加密方法相同的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本申请所提供的一种图像加密方法的步骤流程图；

图2为本申请所提供的一种块加密示意图；

图3为本申请实施例所提供的一种图像数据划分示意图；

图4为本申请实施例所提供的一种流加密系统的结构示意图；

图5为本申请实施例所提供的一种块加密系统的结构示意图；

图6为本申请所提供的一种图像加密系统的结构示意图。

具体实施方式

本申请的核心是提供一种图像加密方法、系统、装置及计算机可读存储介质，加密灵活性强，采用并行加密，提高了加密速度，极大拓展了秘钥空间，增强了加密系统的鲁棒性，同时提高了加密安全性。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参照图1，图1为本申请所提供的一种图像加密方法的步骤流程图，该图像加密方法包括：

S101：确定原始明文图像数据中分配给各位流加密系统的未加密明文图像数据，各位流加密系统并联；

具体的，为了提高图像加密效率，通常采用块加密系统对原始明文图像数据进行加密，参照图2所示，可以理解的是，对于图像，图像的每一行像素可以看成一位，可以为每一行像素都安排一位流加密（Stream cipher）系统，对这一行像素进行加密，基于此，块加密系统包括并联的多位流加密系统。块加密系统的位数往往与原始明文图像数据的大小相对应，假设原始明文图像数据为16×16，则块加密系统的位数为16，但是在实际工程中，考虑生产成本和制作工艺等因素，可能并不会并联大量的流加密系统，因此，本步骤可以对原始明文图像数据进行拆分，分别为拆分后的原始明文图像数据分配流加密系统，参照图3所示，假设块加密系统共有两位，而图像大小是4×4，则可将4×4的原始明文图像数据拆分为2×4再串入2×4的原始图像数据，即原始明文图像数据中第一行的未加密明文图像数据和第三行的未加密明文图像数据分配给第一位流加密系统，以便第一位流加密系统依次对第一行的未加密明文图像数据和第三行的未加密明文图像数据进行加密，原始明文图像数据中第二行的未加密明文图像数据和第四行的未加密明文图像数据分配给第二位流加密系统，以便第二位流加密系统依次对第二行的未加密明文图像数据和第四行的未加密明文图像数据进行加密。

可以理解的是，首先对原始明文图像数据进行拆分，按拆分结果将对应的未加密明文图像数据分配给对应的流加密系统进行加密，这样可以灵活适应不同位数流加密系统。

作为一种可选的实施例，确定原始明文图像数据中分配给各位流加密系统的未加密明文图像数据的过程包括：

根据流加密系统的位数及原始明文图像数据的总行数，确定原始明文图像数据中分配给各位流加密系统的未加密明文图像数据。

具体的，可以根据流加密系统的位数及原始明文图像数据的总行数，确定对原始明文图像数据的划分方式，也即确定分配给各位流加密系统的未加密明文图像数据。

S102：通过每一流加密系统对其接收到的未加密明文图像数据执行加密操作，加密操作包括：将未加密明文图像数据注入洛伦兹混沌系统的状态方程，得到与未加密明文图像数据一一对应的密钥流，基于密钥流和未加密明文图像数据得到密文图像数据。

具体的，按S101的分配方式，将对应的未加密明文图像数据输入对应的流加密系统中，每位流加密系统接收到未加密明文图像数据后，对该未加密明文图像数据进行加密，其中，未加密明文图像数据即未加密的原始图像数据中的一行图像数据，包括该行未加密的所有像素，密文图像数据即经流加密系统加密后的一行图像数据，包括该行解密后的所有像素。

首先，对实现图像加密操作的洛伦兹混沌系统进行说明，洛伦兹系统是一个非线性、非周期、三维的确定性连续动态系统。其动态方程可以表示为：

（1）；

其中，x ₁(t)，x ₂(t)和x ₃(t)是系统的状态；y(t)是系统的输出；x ₁(0)，x ₂(0)和x ₃(0)设置为系统的初始状态，即t=0时刻的状态初始值。

考虑到洛伦兹混沌系统是一个非线性系统，为便于后续进行数据处理，首先将洛伦兹混沌系统转换为TS模糊模型，从而实现非线性到线性的转换，其中，TS模糊模型即Takagi-Sugeno模糊模型，该模型的主要思想是将非线性系统用许多线段相近的表示出来，即将复杂的非线性问题转化为在不同小线段上的问题。

具体的，设规则i：如果x ₁(t)属于模糊集F _i ，那么可以得到：

， i=1,2（2）；

其中，系统的状态向量为

，模糊集为

，

；系数矩阵为

、

、

、

。因此，洛伦兹混沌系统可以转换为TS模糊模型，写为：

（3）；

其中，

，

，

并且其满足

。

具体的，定义要未加密明文图像数据为m(t)，且在t时刻，

是个常数，系统输入矩阵为B _i 。为了设计解密系统方便，本申请将未加密明文图像数据m(t)分别注入洛伦兹混沌系统的状态方程

以及输出方程y(t)=Cx(t)中，得到：

（4）；

从系统结构看出，未加密明文图像数据m(t)直接注入状态方程中。这样的构造使得密钥流的产生极其依赖明文，也就是说，密钥流的产生不仅仅与系统的初始值x(0)有关系，还与明文有关，从而使得加密系统的安全性得到了提高。基于洛伦兹的流加密系统的框图如图4所示。

参照图4，未加密明文图像数据m(t)经过乘法器，与输入矩阵B相乘，再与非线性函数f(x(t))相加，得到密钥流随时间的微分

。

经过积分器，得到密钥流x(t)。得到密钥流之后，x(t)经过乘法器与输出矩阵C相乘，并与明文m(t)相加，得到了密文图像数据y(t)。

进一步的，将基于洛伦兹的流加密系统按固定位数进行并联。例如，当加密对象为8位图像，即像素值为0-255，图像的大小为16×16，那么此时可以并联16个Lorenz流加密系统，让图像的每一行数据依次利用相应的流加密系统进行加密，这样的流加密并行处理技术表现为一个16位的块加密方式。为便于理解，将基于洛伦兹的流加密子系统描述为：

（5）；

其中，上角标j为块加密的当前位数。例如，当j=32时，式（5）表示为块加密系统的第32位流加密系统。理论上，系统可以将足够多的洛伦兹流加密系统并联在一起，来极大提升对目标图像的加密速度，块加密系统的结构示意图如图5所示。

此外，基于洛伦兹混沌系统的块加密算法，秘钥选择为系统初始值以及系统参数。由于块加密算法并联多位Lorenz流加密模块，因此，系统初始值可以设置为

。

可见，本实施例所提供的图像加密方法首先对原始明文图像数据中的未加密明文图像数据进行分配，以适应不同加密系统，增强灵活性，然后通过并联的多位流加密系统对原始明文图像数据中的各行未加密明文图像数据并行加密，提高加密速度，极大拓展了秘钥空间，增强了加密系统的鲁棒性，在加密过程中，密钥流的生成依赖于未加密明文图像数据，使得不同的未加密明文图像数据有不同的密钥流，从而使得加密安全性更高。

请参照图6，图6为本申请所提供的一种图像加密系统的结构示意图，该图像加密系统包括：

确定模块1，用于确定原始明文图像数据中分配给各位流加密系统的未加密明文图像数据，各位流加密系统并联；

加密模块2，用于通过每一流加密系统对其接收到的未加密明文图像数据执行加密操作，加密操作包括：

将未加密明文图像数据注入洛伦兹混沌系统的状态方程，得到与未加密明文图像数据一一对应的密钥流，基于密钥流和未加密明文图像数据得到密文图像数据。

可见，本实施例所提供的图像加密系统首先对原始明文图像数据中的未加密明文图像数据进行分配，以适应不同加密系统，增强灵活性，然后通过并联的多位流加密系统对原始明文图像数据中的各行未加密明文图像数据并行加密，提高加密速度，极大拓展了秘钥空间，增强了加密系统的鲁棒性，在加密过程中，密钥流的生成依赖于未加密明文图像数据，使得不同的未加密明文图像数据有不同的密钥流，从而使得加密安全性更高。

作为一种可选的实施例，确定模块1具体用于：

根据流加密系统的位数及原始明文图像数据的总行数，确定原始明文图像数据中分配给各位流加密系统的未加密明文图像数据。

作为一种可选的实施例，洛伦兹混沌系统为通过TS模糊模型转换后的洛伦兹混沌系统。

作为一种可选的实施例，洛伦兹混沌系统的数学模型为：

；

其中，

为密钥流随时间的微分，y(t)为密文图像数据，C为输出矩阵，x(t)为密钥流，A _i 为系统矩阵，

为前件变量，

为关于

的函数。

作为一种可选的实施例，将未加密明文图像数据注入洛伦兹混沌系统的状态方程，得到与未加密明文图像数据一一对应的密钥流的过程包括：

获取秘钥；

将未加密明文图像数据注入洛伦兹混沌系统的状态方程，通过秘钥得到与未加密明文图像数据一一对应的密钥流。

作为一种可选的实施例，秘钥为系统初始值。

另一方面，本申请还提供了一种图像加密装置，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行计算机程序时实现如上文任意一个实施例所描述的图像加密方法的步骤。

具体的，存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机可读指令，该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机可读指令的运行提供环境。处理器执行存储器中保存的计算机程序时，可以实现以下步骤：确定原始明文图像数据中分配给各位流加密系统的未加密明文图像数据，各位流加密系统并联；通过每一流加密系统对其接收到的未加密明文图像数据执行加密操作，加密操作包括：将未加密明文图像数据注入洛伦兹混沌系统的状态方程，得到与未加密明文图像数据一一对应的密钥流，基于密钥流和未加密明文图像数据得到密文图像数据。

可见，本实施例所提供的图像加密装置首先对原始明文图像数据中的未加密明文图像数据进行分配，以适应不同加密系统，增强灵活性，然后通过并联的多位流加密系统对原始明文图像数据中的各行未加密明文图像数据并行加密，提高加密速度，极大拓展了秘钥空间，增强了加密系统的鲁棒性，在加密过程中，密钥流的生成依赖于未加密明文图像数据，使得不同的未加密明文图像数据有不同的密钥流，从而使得加密安全性更高。

作为一种可选的实施例，处理器执行存储器中保存的计算机子程序时，可以实现以下步骤：根据流加密系统的位数及原始明文图像数据的总行数，确定原始明文图像数据中分配给各位流加密系统的未加密明文图像数据。

作为一种可选的实施例，处理器执行存储器中保存的计算机子程序时，可以实现以下步骤：将洛伦兹混沌系统通过TS模糊模型进行转换，转换后的洛伦兹混沌系统的数学模型为：

；

其中，

为密钥流随时间的微分，y(t)为密文图像数据，C为输出矩阵，x(t)为密钥流，A _i 为系统矩阵，

为前件变量，

为关于

的函数。

作为一种可选的实施例，处理器执行存储器中保存的计算机子程序时，可以实现以下步骤：获取秘钥；将未加密明文图像数据注入洛伦兹混沌系统的状态方程，通过秘钥得到与未加密明文图像数据一一对应的密钥流。

作为一种可选的实施例，处理器执行存储器中保存的计算机子程序时，可以实现以下步骤：获取系统初始值作为秘钥。

在上述实施例的基础上，作为优选实施方式，该图像加密装置还包括：

输入接口，与处理器相连，用于获取外部导入的计算机程序、参数和指令，经处理器控制保存至存储器中。该输入接口可以与输入装置相连，接收用户手动输入的参数或指令。该输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是终端外壳上设置的按键、轨迹球或触控板。

显示单元，与处理器相连，用于显示处理器发送的数据。该显示单元可以为液晶显示屏或者电子墨水显示屏等。

网络端口，与处理器相连，用于与外部各终端设备进行通信连接。该通信连接所采用的通信技术可以为有线通信技术或无线通信技术，如移动高清链接技术（MHL）、通用串行总线（USB）、高清多媒体接口（HDMI）、无线保真技术（WiFi）、蓝牙通信技术、低功耗蓝牙通信技术、基于IEEE802.11s的通信技术等。

另一方面，本申请还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上文任意一个实施例所描述的图像加密方法的步骤。

具体的，该存储介质可以包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（Read-Only Memory ，ROM）、随机存取存储器（Random Access Memory ，RAM）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。该存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：确定原始明文图像数据中分配给各位流加密系统的未加密明文图像数据，各位流加密系统并联；通过每一流加密系统对其接收到的未加密明文图像数据执行加密操作，加密操作包括：将未加密明文图像数据注入洛伦兹混沌系统的状态方程，得到与未加密明文图像数据一一对应的密钥流，基于密钥流和未加密明文图像数据得到密文图像数据。

可见，本实施例中，首先对原始明文图像数据中的未加密明文图像数据进行分配，以适应不同加密系统，增强灵活性，然后通过并联的多位流加密系统对原始明文图像数据中的各行未加密明文图像数据并行加密，提高加密速度，极大拓展了秘钥空间，增强了加密系统的鲁棒性，在加密过程中，密钥流的生成依赖于未加密明文图像数据，使得不同的未加密明文图像数据有不同的密钥流，从而使得加密安全性更高。

作为一种可选的实施例，计算机可读存储介质中存储的计算机子程序被处理器执行时，具体可以实现以下步骤：根据流加密系统的位数及原始明文图像数据的总行数，确定原始明文图像数据中分配给各位流加密系统的未加密明文图像数据。

作为一种可选的实施例，计算机可读存储介质中存储的计算机子程序被处理器执行时，具体可以实现以下步骤：将洛伦兹混沌系统通过TS模糊模型进行转换，转换后的洛伦兹混沌系统的数学模型为：

；

其中，

为密钥流随时间的微分，y(t)为密文图像数据，C为输出矩阵，x(t)为密钥流，A _i 为系统矩阵，

为前件变量，

为关于

的函数。

作为一种可选的实施例，计算机可读存储介质中存储的计算机子程序被处理器执行时，具体可以实现以下步骤：获取秘钥；将未加密明文图像数据注入洛伦兹混沌系统的状态方程，通过秘钥得到与未加密明文图像数据一一对应的密钥流。

作为一种可选的实施例，计算机可读存储介质中存储的计算机子程序被处理器执行时，具体可以实现以下步骤：获取系统初始值作为秘钥。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种图像加密方法，其特征在于，该图像加密方法包括：

确定原始明文图像数据中分配给各位流加密系统的未加密明文图像数据，各位所述流加密系统并联；

通过每一所述流加密系统对其接收到的所述未加密明文图像数据执行加密操作，所述加密操作包括：

将所述未加密明文图像数据注入洛伦兹混沌系统的状态方程，得到与所述未加密明文图像数据一一对应的密钥流，基于所述密钥流和所述未加密明文图像数据得到密文图像数据；

所述洛伦兹混沌系统为通过TS模糊模型转换后的洛伦兹混沌系统；

所述洛伦兹混沌系统的数学模型为：

；

其中，

为密钥流随时间的微分，y(t)为所述密文图像数据，C为输出矩阵，x(t)为所述密钥流，A _i 为系统矩阵，

为前件变量，

为关于

的函数。

2.根据权利要求1所述的图像加密方法，其特征在于，所述确定原始明文图像数据中分配给各位流加密系统的未加密明文图像数据的过程包括：

根据所述流加密系统的位数及所述原始明文图像数据的总行数，确定原始明文图像数据中分配给各位流加密系统的未加密明文图像数据。

3.根据权利要求1-2任意一项所述的图像加密方法，其特征在于，所述将所述未加密明文图像数据注入洛伦兹混沌系统的状态方程，得到与所述未加密明文图像数据一一对应的密钥流的过程包括：

获取秘钥；

将所述未加密明文图像数据注入洛伦兹混沌系统的状态方程，通过所述秘钥得到与所述未加密明文图像数据一一对应的密钥流。

4.根据权利要求3所述的图像加密方法，其特征在于，所述秘钥为系统初始值。

5.一种图像加密系统，其特征在于，该图像加密系统包括：

确定模块，用于确定原始明文图像数据中分配给各位流加密系统的未加密明文图像数据，各位所述流加密系统并联；

加密模块，用于通过每一所述流加密系统对其接收到的所述未加密明文图像数据执行加密操作，所述加密操作包括：

将所述未加密明文图像数据注入洛伦兹混沌系统的状态方程，得到与所述未加密明文图像数据一一对应的密钥流，基于所述密钥流和所述未加密明文图像数据得到密文图像数据；

所述洛伦兹混沌系统为通过TS模糊模型转换后的洛伦兹混沌系统；

所述洛伦兹混沌系统的数学模型为：

；

其中，

为密钥流随时间的微分，y(t)为所述密文图像数据，C为输出矩阵，x(t)为所述密钥流，A _i 为系统矩阵，

为前件变量，

为关于

的函数。

6.根据权利要求5所述的图像加密系统，其特征在于，所述确定模块具体用于：

根据所述流加密系统的位数及所述原始明文图像数据的总行数，确定原始明文图像数据中分配给各位流加密系统的未加密明文图像数据。

7.一种图像加密装置，其特征在于，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1-4任意一项所述的图像加密方法的步骤。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-4任意一项所述的图像加密方法的步骤。

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