CN115396563A - 一种比特循环位移式图像加密编码与解码方法 - Google Patents

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孙文卿
郭振翔
许星楠
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Abstract

本发明涉及一种图像加密编解码方法。针对各类需要对数字图像内容保密的应用场景，实现了将图像内容变换为随机噪声，同时在接收方拥有密钥的情况下，能够将图像内容进行解密的功能。本发明提出了一种比特循环位移式图像加密编码与解码方法。该方法将图像分解为一组单比特矩阵，然后对每一行或者列的数据进行随机循环位移操作，再将位移后的单比特矩阵重新组合成密文，传输给接收方。接收方可以使用相关密钥对该密文进行解密。本方法的密钥长度短，加密速度快，实现数字图像的比特级加密操作。

Description

一种比特循环位移式图像加密编码与解码方法
技术领域
本发明涉及一种图像加密编解码方法，尤其是一种比特循环位移式图像加密编码与解码方法。
背景技术
二十一世纪是一个数字时代，数字图像是人类获取信息的重要媒介之一，数字图像处理技术也越来越渗透到我们的日常生活、科学研究和社会生产当中。各类数字图像处理技术也由此应运而生。数字图像处理技术包括图像编码压缩、图像压缩、图像分割、图像识别，其中自然也包括了图像的加密与解密技术。在一些应用场景中，图像的内容不能被公开，此时就需要先对图像信息进行加密，然后再通过公共信道进行传输，而加密中使用的密钥应当通过保密信道进行传输，从而保证图像信息不被泄露。
针对这一问题，业内已经提出了众多解决方案。一般而言，使用对称加密方法使用密钥对图像进行加密，再通过非对称加密算法对密钥进行加密，通过保密信道传输，同时将密文通过公共信道进行传输。这一框架保证了密钥的保密等级更高，也便于减少对保密信道资源的占用。由于对称加密方法一般比非对称加密方法的速度快很多，因此各种对称加密方案也受到了研究者们的广泛关注，各类方案适用的场景不同，各自特点也不同，函数变换、偏微分方程、混沌系统、比特操作等各种技术也都应用在其中。所有对称加密方法，首先都应该保证其安全性，确保把各种内容的图像都加密成与其完全无关的噪声信号，并且能够防止被暴力破解。其他的特性还包括，加密过程的简洁性、加密与解密速度、所需密钥长短等。
本发明提出了一种利用比特位循环位移的图像加密编码与解码方法，该方法加密速度快，密钥长度短，能够抵抗暴力破解的攻击，在节约计算资源占用率的前提下，实现较好的加密效果。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种比特循环位移式图像加密编码与解码方法。下面结合附图对本发明做进一步详细说明。为实现上述目的，本发明的方案包括：如图1所示，加密编解码包括如下步骤：
S1 对于数字图像I(x,y)，其中x和y表示像素坐标，图像的比特位数为B，图像的像素尺寸为M*N，x取1到M，y取1到N，其中M表示图像的列数，N表示图像的行数。
S2 根据数字图像I的比特位数B，将图像分解为单比特矩阵H(x,y,b)，其中比特位数b大于等于1且小于等于B。
S3 令b=1。
S4 随机选择对矩阵H(x,y,b)按行或按列进行操作，并将行列选择结果信息记入密钥文件中。
S5 对矩阵H(x,y,b)的每一行或每一列比特位的值进行循环位移操作；设该行或列的元素个数为k，取-k到k之间的随机整数d，然后根据d的值对该行数据向左或向右移动相应的位数，向左还是向右移动取决于d的正负。
S6 将结果保存在新的单比特矩阵He(x,y,b)中，同时将循环位移位数d记入密钥文件中。
S7 令b=b+1，如果b<=B，则回到S4继续循环，直到b>B。
S8 根据公式（1）计算出密文图像Ie(x,y)，
Figure 568853DEST_PATH_IMAGE001
（1）。
S9 将密钥文件通过保密信道传给接收方，并将密文图像Ie(x,y)通过公共信道传输给接收方。
S10 接收方将密文图像Ie(x,y)分解为单比特矩阵He(x,y,b)。
S11 接收方根据密钥中提供的行列选择结果和各行或列的循环位移位数信息对每一个比特位的矩阵进行相反的比特循环位移操作，并将解密后的矩阵保存至Hd(x,y,b)中。
S12 根据公式（2）计算出明文图像Id(x,y)，
Figure 698483DEST_PATH_IMAGE002
（2）。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1为本发明所述图像加密编码与解码的流程图。
图2为本发明实施例中所用的测试灰度图像I(x,y)。
图3为本发明实施例中所述的密文图像Ie(x,y)。
图4为本发明实施例中所述的解码数字图像Id(x,y)。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加易于理解，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例：
如图1所示，编解码包括如下步骤：
S1 选择一幅灰度数字图像I(x,y)，图像的比特位数为8，图像的像素尺寸为480*500，其中M=480，N=500，如图2所示。
S2 根据图像I的比特位数8，将图像分解为单比特矩阵H(x,y,b)，其中比特位数b大于等于1且小于等于8。
S3 令b=1。
S4 随机选择对矩阵H(x,y,b)按行或按列进行操作，并将行列选择结果信息记入密钥文件中。本实施例中，当b=1,3,4,6,8时按照行进行循环，当b=2,5,7时按照列进行循环。
S5 对矩阵H(x,y,b)的每一行或每一列比特位的值进行循环位移操作；设该行或列的元素个数为k，取-k到k之间的随机整数d，然后根据d的值对该行数据向左或向右移动相应的位数，向左还是向右移动取决于d的正负。在本实施例中，当b=1时，对矩阵H(x,y,1)的每一行进行循环位移操作，取-480到480中的随机数，随机数d=34，将第一行的数据向左循环位移34位。然后再产生另一个随机数d=-127，将第二行的数据向右循环位移127位。依次类推，直到将该矩阵中的每一行数据都完成循环位移操作。
S6 将结果保存在新的单比特矩阵He(x,y,1)中，同时将每一行循环位移位数d记入密钥文件中。
S7 令b=b+1，如果b<=8，则回到S4继续循环，直到b>8。
S8 根据公式（3）计算出密文图像Ie(x,y)，
Figure 184959DEST_PATH_IMAGE003
（3）。
S9 将密钥文件通过保密信道传给接收方，并将密文图像Ie(x,y)，如图3所示，通过公共信道传输给接收方。
S10 接收方将密文图像Ie(x,y)分解为单比特矩阵He(x,y,b)。
S11 接收方根据密钥中提供的行列选择结果和各行或列的循环位移位数信息对每一个比特位的矩阵进行相反的比特循环位移操作，并将解密后的矩阵保存至Hd(x,y,b)中。
S12 根据公式（4）计算出明文图像Id(x,y)，如图4所示，
Figure 741842DEST_PATH_IMAGE004
（4）。

Claims (1)

1.一种比特循环位移式图像加密编码与解码方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1 对于数字图像I(x,y)，其中x和y表示像素坐标，图像的比特位数为B，图像的像素尺寸为M*N，x取1到M，y取1到N，其中M表示图像的列数，N表示图像的行数；
S2 根据数字图像I的比特位数B，将图像分解为单比特矩阵H(x,y,b)，其中比特位数b大于等于1且小于等于B；
S3 令b=1；
S4 随机选择对矩阵H(x,y,b)按行或按列进行操作，并将行列选择结果信息记入密钥文件中；
S5 对矩阵H(x,y,b)的每一行或每一列比特位的值进行循环位移操作；设该行或列的元素个数为k，取-k到k之间的随机整数d，然后根据d的值对该行数据向左或向右移动相应的位数，向左还是向右移动取决于d的正负；
S6 将结果保存在新的单比特矩阵He(x,y,b)中，同时将循环位移位数d记入密钥文件中；
S7 令b=b+1，如果b<=B，则回到S4继续循环，直到b>B；
S8 根据公式（1）计算出密文图像Ie(x,y)，
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；（1）
S9 将密钥文件通过保密信道传给接收方，并将密文图像Ie(x,y)通过公共信道传输给接收方；
S10 接收方将密文图像Ie(x,y)分解为单比特矩阵He(x,y,b)；
S11 接收方根据密钥中提供的行列选择结果和各行或列的循环位移位数信息对每一个比特位的矩阵进行相反的比特循环位移操作，并将解密后的矩阵保存至Hd(x,y,b)中；
S12 根据公式（2）计算出明文图像Id(x,y)，
Figure 386129DEST_PATH_IMAGE002
（2）。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2595061A2 (de) * 2011-11-15 2013-05-22 Giesecke & Devrient GmbH Verfahren zum Schutz gegen Schadcode
CN109241755A (zh) * 2018-08-17 2019-01-18 中国矿业大学 基于三维置乱模型和混沌的图像加密方法
CN113691362A (zh) * 2021-09-07 2021-11-23 西南大学 基于超混沌系统和dna编码的位平面图像压缩加密算法

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Non-Patent Citations (1)

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Title
杨子华;李杰君;肖水;: "基于分层变换的图像置乱技术研究与实现", 电脑知识与技术(学术交流), no. 06, pages 1 *

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