CN114884643A - 基于超像素的多图像加密方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于超像素的多图像加密方法，属于信息安全领域。数字图像信息在互联网传输中容易泄露或篡改，安全隐患问题日益严重。为保证多图像在网络平台下安全可靠地传输，本发明提出一种基于超像素的多图像加密方法。该方法采用置乱加扩散的经典框架：在置乱阶段，采用普通像素级置乱和比特级置乱；在扩散阶段，利用像素位平面分解和二进制组合，将图像的像素深度由8比特扩大至8k比特，构成超像素，再进行超像素扩散得到加密图像。实验表明：该方法可同时加密多幅图像，加密效果良好，安全性高且加密速度快。

Description

基于超像素的多图像加密方法
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和个人隐私，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研究和实际应用中的热点问题。
数字图像具有一些独特的特征，如大容量、相邻像素之间的强相关性和高冗余度。为保障图像信息的安全性，大量图像加密算法被提出。在大多数的加密方法中往往出现计算量大、加密效率低和安全性弱等问题。因此，为保护多图像的内容安全，研究多图像的加密方法显得意义重大。提出的基于超像素的多图像加密方法，将多图像的位平面和像素深度相结合，实现超像素的效果。该方法利用超像素，提高了加密方法的效率和安全性。
发明内容
本发明的目的：针对现有多图像加密方法加密效率低和安全性弱等问题，提出一种基于超像素的多图像加密方法。
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超像素的多图像加密方法，令发送方为Alice，接收方为Bob。Alice的加密步骤详述如下：
步骤1：产生像素向量：令k幅原始图像为I 1, I 2, … , I k ，其大小均为m×n，其像素值为(0, 255)，像素深度为8比特，将I 1, I 2, … , I k 分别转换成k个长度为mn的一维向量，并将这k个向量依次首尾相接，形成一个长度为kmn的一维向量S 1；
步骤2：产生混沌序列：随机选取公式（1）所示的一维Sin-Tent映射的初始值x 0∈(0, 1)和控制参数μ 1，μ 1为任意实数，迭代该映射kmn次，可得一个长度为kmn的混沌序列X 1；随机选取公式（1）所示的一维Sin-Tent映射的初始值y 0∈(0, 1)和控制参数μ 2，μ 2为任意实数，迭代该映射8kmn次，可得一个长度为8kmn的混沌序列Y 1，
Figure 993688DEST_PATH_IMAGE001
； （1）
步骤3：普通像素级置乱：对X 1进行升序排列，可得其索引值向量W，利用W对S 1进行排序置乱，可得到一个长度为kmn的一维向量S 2，
S 2(r)=S 1(W(r)，r=1, 2, …, kmn； （2）
步骤4：二进制转换：将矩阵S 2中的每一个像素转换成二进制，并依次连接，可得一个长度为8kmn的一维向量S 3；
步骤5：比特级置乱：对Y 1进行降序排列，可得其索引值向量H，利用H对S 3进行排序置乱，可得到一个长度为8kmn的一维向量S 4；
步骤6：生成超像素：将S 4中的每连续8k比特分成一组，并转化成十进制数，可得一个长度为mn的一维向量S 5，S 5中的像素称为超像素；
步骤7：混沌整数化：选取Y 1的前mn个元素构成混沌序列Y 2，对Y 2进行整数化处理，可得一个长度为mn的整数混沌序列Y 3，
Y 3=mod(floor(Y 2×108), 28k )， （3）
其中，floor(·)为向下取整函数，mod(·)为取模运算函数；
步骤8：超像素扩散：利用Y 3，对S 5进行如下超像素扩散操作，可得一个长度为mn一维向量S 6，
S 6(1)=S 5(1) Y 3(1)， （4）
S 6(j)=S 5(j)⊕Y 3(j)⊕S 6(j-1)，j>1， （5）
其中，⊕为异或运算；
步骤9：生成超图像：将S 6转换成一个大小为m×n的超图像C，即为加密图像，像素深度为8k比特。
进一步地，所述步骤6中，超像素的取值为区间[0, 28k -1]内的整数，即超像素的像素深度为8k比特。
进一步地，所述步骤9中，超图像是由超像素构成的图像。
Bob的解密过程是Alice加密过程的逆过程。在解密过程中，利用相同的混沌序列对加密图像C进行解密操作，可恢复出k幅原始图像。
有益效果：本发明针对现有加密方法中的计算量大、加密效率低和安全性弱等缺点，提出一种基于超像素的多图像加密方法。主要贡献由以下三点：（1）提出了一种基于超像素的多图像加密方法；（2）定义了超像素和超图像的概念，将多幅图像的二进制矩阵叠加在一起，转成二进制形成超像素，从而将多幅图像合并成一幅超图像；（3）提出的多图像加密方法，具有效率高和安全性强的特征，可实现多图像的安全传输。
附图说明
图1：基于超像素的多图像加密流程图；
图2：原始图像集；
图3：超像素形成示意图；
图4：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方式进行进一步详细说明。
图1是基于超像素的多图像加密流程图。采用的编程软件为Matlab R2016b，选取如图2所示的4幅大小为512×512的灰色图像作为原始图像。采用基于超像素的多图像加密方法，Alice的加密过程详述如下。
步骤1：生成混沌序列：读取4幅大小为512×512的灰色图像，其像素值为(0,255)，像素深度为8比特，并将这4幅图像分别转换成4个长度为262144的一维向量，并将这4个一维向量一次首位相接，形成一个长度为1048576一维向量S 1；
步骤2：产生混沌序列：选取公式（1）所示的一维Sin-Tent映射的初始值x 0=0.385421和控制参数μ 1=3.1415926，迭代该映射1048576次，可得一个长度为1048576的混沌序列X 1；选取公式（1）所示的一维Sin-Tent映射的初始值y 0=0.156565和控制参数μ 2=3.756245，迭代该映射8388608次，可得一个长度分别为8388608的混沌序列Y 1；
步骤3：普通像素级置乱：对X 1进行升序排列，得到其索引值向量W，对S 1利用W和公式（2）进行排序置乱，可得到一个长度为1048576的一维向量S 2；
步骤4：二进制转换：将矩阵S 2中的每一个像素转换成二进制，并依次连接，可得一个长度为8388608的一维向量S 3；
步骤5：比特级置乱：对Y 1进行降序排列，得到其索引值向量H，利用H对S 3进行排序置乱，可得到一个长度为8388608的一维向量S 4；
步骤6：生成超像素：将S 4中的每连续8k比特分成一组，并转化成十进制数，可得长度为262144的一维向量S 5，S 5中的像素称为超像素。以4个像素168、30、0和30为例，构成的超像素为2820538398，具体构成过程，如图2所示；
步骤7：混沌整数化：选取Y 1的前262144个元素构成混沌序列Y 2，对Y 2进行整数化处理，可得一个长度为262144的整数混沌序列Y 3；
步骤8：超像素扩散：利用Y 3和公式（4）、（5）对S 5进行超像素扩散操作，可得一个长度为262144一维向量S 6；
步骤9：生成超图像：将S 6转换成一个大小为512×512的超图像C，即为加密图像，像素深度为32比特，如图4所示。
Bob的解密过程是Alice加密过程的逆过程。在解密过程中，利用相同的混沌序列对加密图像进行解密操作，可恢复出4幅原始图像，同图3所示。

Claims (3)

1.基于超像素的多图像加密方法，其特征在于，加密过程包括如下步骤：
步骤1：产生像素向量：令k幅原始图像为I 1, I 2, … , I k ，其大小均为m×n，其像素值为(0, 255)，像素深度为8比特，将I 1, I 2, … , I k 分别转换成k个长度为mn的一维向量，并将这k个向量依次首尾相接，形成一个长度为kmn的一维向量S 1；
步骤2：产生混沌序列：随机选取公式（1）所示的一维Sin-Tent映射的初始值x 0∈(0, 1)和控制参数μ 1，μ 1为任意实数，迭代该映射kmn次，可得一个长度为kmn的混沌序列X 1；随机选取公式（1）所示的一维Sin-Tent映射的初始值y 0∈(0, 1)和控制参数μ 2，μ 2为任意实数，迭代该映射8kmn次，可得一个长度为8kmn的混沌序列Y 1，
Figure 799320DEST_PATH_IMAGE001
； （1）
步骤3：普通像素级置乱：对X 1进行升序排列，可得其索引值向量W，利用W对S 1进行排序置乱，可得到一个长度为kmn的一维向量S 2，
S 2(r)= S 1(W(r))，r=1, 2, …, kmn； （2）
步骤4：二进制转换：将矩阵S 2中的每一个像素转换成二进制，并依次连接，可得一个长度为8kmn的一维向量S 3；
步骤5：比特级置乱：对Y 1进行降序排列，可得其索引值向量H，利用H对S 3进行排序置乱，可得到一个长度为8kmn的一维向量S 4；
步骤6：生成超像素：将S 4中的每连续8k比特分成一组，并转化成十进制数，可得一个长度为mn的一维向量S 5，S 5中的像素称为超像素；
步骤7：混沌整数化：选取Y 1的前mn个元素构成混沌序列Y 2，对Y 2进行整数化处理，可得一个长度为mn的整数混沌序列Y 3，
Y 3=mod(floor(Y 2×108), 28k )， （3）
其中，floor(·)为向下取整函数，mod(·)为取模运算函数；
步骤8：超像素扩散：利用Y 3，对S 5进行如下超像素扩散操作，可得一个长度为mn一维向量S 6，
S 6(1)=S 5(1)⊕Y 3(1)， （4）
S 6(j)=S 5(j)⊕Y 3(j)⊕S 6(j-1)，j>1， （5）
其中，⊕为异或运算；
步骤9：生成超图像：将S 6转换成一个大小为m×n的超图像C，即为加密图像，像素深度为8k比特。
2.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于：所述步骤6中，超像素的取值为区间[0,28k -1]内的整数，即超像素的像素深度为8k比特。
3.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于：所述步骤9中，超图像是由超像素构成的图像。
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