CN115002290B - 基于分块镜像的图像置乱方法 - Google Patents

Abstract

一种基于分块镜像的图像置乱方法，属于信息加密领域。目前，数字图像是信息传播的主要载体，在各个领域都得到了广泛的应用。为保护图像信息的安全，本发明利用图像镜像和分块等技术，设计了一种基于分块镜像的图像置乱方法。首先，将原始图像进行分块；其次，对图像块进行多种不同方式的镜像变换；再次，利用混沌对所有镜像后的图像块进行块间置乱；最后，将图像块合并成置乱图像。实验表明：该方法加密效果良好，安全性高且高效。

Description

基于分块镜像的图像置乱方法

技术领域

本方法涉及一种信息加密技术，特别是涉及一种图像加密方法。

背景技术

图像信息是人类表达信息的重要手段。然而，其在复杂的互联网环境中传输时，极易受到各种传输特性的干扰与攻击，安全性容易受到破坏。因此，研究高效安全的图像加密方法显得尤为重要。

图像加密常用的手段包括置乱和扩散，置乱是指打乱像素在图像中的位置，扩散是指改变图像中的像素值。

为提高图像加密的安全性和效率，将图像处理中的镜像变换融入图像加密并结合混沌系统和块置乱等技术，设计了一种基于分块镜像的图像置乱方法。该方法利用图像镜像的特性，以及混沌良好的随机性和复杂性，有效地保护了图像内容网络传输和存储的安全。

发明内容

本发明的目的：为解决现有图像加密方法效率低或安全性弱等问题，提出了一种基于分块镜像的图像置乱方法。

基于分块镜像的图像置乱方法，其特征在于，置乱过程包括如下步骤：

步骤1：图像分块：令原始图像为一幅大小m×n的图像I，将I分割成大小均为q×q的图像块，可得s个图像块b ₁ ¹, b ₂ ¹, …, b _s ¹，s=(m×n)/(q×q)；若q无法整除m和n，则用像素填补法对I进行扩充；

步骤2：产生混沌序列：随机选取二维Logistic映射的初始值x ₀, y ₀和控制参数μ ₁,μ ₂, a ₁, a ₂，按照公式（1）迭代1000+s次，为取得良好的随机性，丢掉前1000个值，可得两个长度为s的混沌序列X={x _i }和Y={y _i }；

， （1）

其中，x _n, y _n∈(0, 1)，μ ₁∈(2.75, 3.4]，μ ₂∈(2.75, 3.45]，a ₁∈(0.15, 0.21]和a ₂∈(0.13, 0.15]；

步骤3：混沌序列整数化：计算，

r _i =mod(floor(x _i ×10¹⁶), 7)， （2）

其中，x _i ∈X，mod(·)是取模函数，floor(·)是取整函数；可产生一个长度为s的整数混沌序列R={r _i }；

步骤4：块内镜像变换：以b ₁ ¹, b ₂ ¹, …, b _s ¹为镜像对象，利用R，随机选择不同的镜像方式进行变换，可得镜像后的图像块b ₁ ², b ₂ ², …, b _s ²；

步骤5：块间置乱：对Y进行升序排序，

[Y ₁, Y ₂]=sort(Y)， （3）

其中，sort (·)是升序排序函数，Y ₁为索引值序列，Y ₂为排序后的序列；利用Y ₁对b ₁ ², b ₂ ², …, b _s ²进行块间置乱操作，

b _i ³=b _y1(i) ²，i=1, 2, …, s， （4）

其中，y ₁(i)∈Y ₁和b ₁ ³, b ₂ ³, …, b _s ³为置乱后的结果；

步骤6：图像块合并：按照特定的顺序将b ₁ ³, b ₂ ³, …, b _s ³进行图像块组合，可得一幅大小为m×n的置乱图像J。

进一步地，所述步骤4中，镜像方式为：

， （5）

其中，r _i ∈R，B为原始图像块，B ₁为镜像后的图像块，h_mirror(·)、v_mirror(·)、d_mirror(·)、hv_mirror(·)、hd_mirror(·)、vd_mirror(·)和hvd_mirror(·)分别为水平镜像函数、垂直镜像函数、对角镜像函数、水平-垂直镜像函数、水平-对角镜像函数、垂直-对角镜像函数和水平-垂直-对角镜像函数；R控制镜像方式，当r _i =0时，执行h_mirror(B)；当r _i =1时，执行v_mirror(B)；当r _i =2时，执行d_mirror(B)；当r _i =3时，执行hv_mirror(B)；当r _i =4时，执行hd_mirror(B)；当r _i =5时，执行vd_mirror(B)；当r _i =6时，执行hvd_ mirror(B)。

有益效果：本发明针对现有图像加密方法存在加密效率低或安全性弱等问题，提出了一种基于分块镜像的图像置乱方法。主要贡献有：（1）将镜像变换应用于图像加密，设计了7种镜像方式提高了随机性和安全性；（2）结合分块技术，增大了加密粒度提高了加密效率；（3）该方法具有高效、安全和加密效果良好的特征，可有效保护图像内容网络传输和存储的安全。

附图说明

图1：基于分块镜像的图像置乱方法流程图；

图2：原始图像；

图3：置乱图像。

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是本方法的置乱流程图。

采用的编程软件为Matlab R2020a，选取图2所示大小为512×512的图像作为原始图像。

步骤1：图像分块：令原始图像为一幅大小512×512的图像I，将I分割成大小均为4×4的图像块，可得16384个图像块b ₁ ¹, b ₂ ¹, …, b ₁₆₃₈₄ ¹。

步骤2：产生混沌序列：随机选取二维Logistic映射的初始值0.7823，0.2433和控制参数3.1439，2.9123，0.1648，0.1357，按照公式（1）迭代17384次，为取得良好的随机性，丢掉前1000个值，可得两个长度为16384的混沌序列X={x _i }和Y={y _i }。

步骤3：混沌序列整数化：利用公式（2）对混沌序列X进行整数化，产生整数混沌序列R={r _i}。

步骤4：块内镜像变换：以b ₁ ¹, b ₂ ¹, …, b ₁₆₃₈₄ ¹为镜像对象，利用R，随机选择不同的镜像方式进行变换，可得镜像后的图像块b ₁ ², b ₂ ², …, b ₁₆₃₈₄ ²。

步骤5：块间置乱：利用公式（3）对Y进行升序排序，得到索引值序列Y ₁和排序后的序列Y ₂；根据公式（4）并利用Y ₁对b ₁ ², b ₂ ², …, b ₁₆₃₈₄ ²进行块间置乱操作，可得置乱后的结果b ₁ ³, b ₂ ³, …, b ₁₆₃₈₄ ³。

步骤6：图像块合并：按照特定的顺序将b ₁ ³, b ₂ ³, …, b ₁₆₃₈₄ ³进行图像块组合，可得一幅大小为512×512的置乱图像J，如图3所示。

Claims (2)

1.基于分块镜像的图像置乱方法，其特征在于，置乱过程包括如下步骤：

步骤1：图像分块：令原始图像为一幅大小为m×n的图像I，将I分割成大小均为q×q的图像块，可得s个图像块b₁ ¹,b₂ ¹,…,b_s ¹，s＝(m×n)/(q×q)；若q无法整除m和n，则用像素填补法对I进行扩充；

步骤2：产生混沌序列：随机选取二维Logistic映射的初始值x₀,y₀和控制参数μ₁,μ₂,a₁,a₂，按照公式(1)迭代1000+s次，丢掉前1000个值，可得两个长度为s的混沌序列X＝{x_i}和Y＝{y_i}；

其中，x_n,y_n∈(0,1)，μ₁∈(2.75,3.4]，μ₂∈(2.75,3.45]，a₁∈(0.15,0.21]和a₂∈(0.13,0.15]；

步骤3：混沌序列整数化：计算，

r_i＝mod(floor(x_i×10¹⁶), 7)， (2)

其中，x_i∈X，mod(·)是取模函数，floor(·)是取整函数；可产生一个长度为s的整数混沌序列R＝{r_i}；

步骤4：块内镜像变换：以b₁ ¹,b₂ ¹,…,b_s ¹为镜像对象，利用R和设计的镜像方式进行变换，可得镜像后的图像块b₁ ²,b₂ ²,…,b_s ²；

步骤5：块间置乱：对Y进行升序排序，

[Y₁, Y₂]＝sort(Y)， (3)

其中，sort(·)是升序排序函数，Y₁为索引值序列，Y₂为排序后的序列；利用Y₁对b₁ ²,b₂ ²,…,b_s ²进行块间置乱操作，

b_i ³＝b_y1(i) ²，i＝1, 2, …, s， (4)

其中，y₁(i)∈Y₁，b₁ ³,b₂ ³,…,b_s ³为置乱后的结果；

步骤6：图像块合并：按照特定的顺序将b₁ ³,b₂ ³,…,b_s ³进行图像块组合，可得一幅大小为m×n的置乱图像J。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤4中，镜像方式为：

其中，r_i∈R，B为原始图像块，B₁为镜像后的图像块，h_mirror(·)、v_mirror(·)、d_mirror(·)、hv_mirror(·)、hd_mirror(·)、vd_mirror(·)和hvd_mirror(·)分别为水平镜像函数、垂直镜像函数、对角镜像函数、水平-垂直镜像函数、水平-对角镜像函数、垂直-对角镜像函数和水平-垂直-对角镜像函数；R控制镜像方式，当r_i＝0时，执行h_mirror(B)；当r_i＝1时，执行v_mirror(B)；当r_i＝2时，执行d_mirror(B)；当r_i＝3时，执行hv_mirror(B)；当r_i＝4时，执行hd_mirror(B)；当r_i＝5时，执行vd_mirror(B)；当r_i＝6时，执行hvd_mirror(B)。

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