CN105450899B

CN105450899B - 基于pwlcm混沌的多幅图像加密方法

Info

Publication number: CN105450899B
Application number: CN201510881049.7A
Authority: CN
Inventors: 张晓强; 王雪松; 程玉虎
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2015-12-07
Filing date: 2015-12-07
Publication date: 2018-03-06
Anticipated expiration: 2035-12-07
Also published as: CN105450899A

Abstract

一种基于分段线性混沌映射（Piecewise Linear Chaotic Map，PWLCM）的多幅图像加密方法，属于信息加密领域。现存图像加密方法大多是以单幅图像为加密对象，难以适用于大批量图像加密的情形，且加密效率较低。区别于传统的图像加密方法，本发明以多幅图像为加密对象，通过将多幅图像转化为单幅大图像，加密单幅大图像，再将其转化为多幅加密图像的思想，实现对多幅图像内容的保护。核心步骤：将k幅交互图像组合成一幅大图像；利用PWLCM混沌对大图像进行加密，得到一幅加密大图像；将其分割成k幅加密图像，并用PWLCM混沌产生的混沌序列对其依次命名。实验结果表明：该方法易于实现，加密效果良好，加密效率和安全性高，可同时保护任意多幅图像内容的通信安全。

Description

基于PWLCM混沌的多幅图像加密方法

技术领域

本发明涉及一种信息加密技术，特别是涉及一种图像加密方法。

背景技术

在政治、军事、商业等诸多领域中，网络信息的安全变得日益重要。近年，网络安全发展态势呈现：(1)计算机病毒层出不穷；(2)黑客攻击逐年攀升；(3)***存在安全漏洞；(4)各国军方加紧信息战研究。网络泄密事件时有发生，对网络个人的通信隐私、企业的商业机密、国家的安全稳定都造成了重大影响。因此，网络信息安全是互联网发展中急需解决的重要问题。

在军事发现、自然灾害监控、交通监控、天气预报、电子政务和个人事务等诸多领域中，每天都会产生大量的数字图像。同时，各种拍摄设备的不断涌现也加速了大数据时代的到来。如一部单反相机每秒能拍摄几张照片，一个交通监控摄像头每天能拍摄数千张图像。在大数据时代，数字图像往往会携带许多秘密信息。因此，如何保护图像内容的安全已成为学术界和工业领域的重要挑战。

为确保图像内容的安全，人们已提出了许多单幅图像加密方法。这些方法主要包括：基于现代密码体制的图像加密方法、基于矩阵变换的图像加密方法、基于混沌理论的图像加密方法、基于变换域的图像加密方法和基于DNA计算的图像加密方法。在大数据时代，尽管可以用重复执行现有单幅图像加密方法的手段来保护多幅图像内容的安全，但是加密效率往往较低。因此，设计了一种多幅图像加密方法，在保证多幅图像内容安全的同时，可有效地提高加密效率。

发明内容

本发明的目的：针对现有多数单幅图像加密方法加密多幅图像时效率低的问题，提出一种基于PWLCM混沌的多幅图像加密方法。

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PWLCM混沌的多幅图像加密方法，具体包括以下步骤：

步骤1：将k幅大小为m行和n列的交互图像I¹，I²，…，I^k组合成一幅大图像I；

步骤2：根据***初始值x₀和控制参数p₁进行PWLCM混沌***迭代运算k×m×n次，获得混沌序列X，用于置乱大图像；根据***初始值y₀和控制参数p₂进行PWLCM混沌***迭代运算k次，获得混沌序列Y，用于命名k幅加密图像；

步骤3：利用混沌序列X，置乱大图像I，获得置乱大图像I^dif；

步骤4：利用floor()取整函数对混沌序列Y整数化，获得整数序列Y＇；

步骤5：将置乱大图像I^dif分割成k幅加密图像I^e1，I^e2，…，I^ek；

步骤6：发送加密图像给接收方。

进一步地，所述步骤1中，为加密k幅m×n同样大小的交互图像，即I¹，I²，…，I^k，按照一定的顺序将幅交互图像转化为一幅大图像，若k＝k₁×k₂，k₁和k₂均为正整数，则大图像可表示为

进一步地，所述步骤1中，随机选取x₀∈(0，1)和p₁∈(0，0.5)分别作为PWLCM混沌***的初始值和控制参数，利用如下公式(2)所示的混沌***通过迭代k×m×n次，可产生一个混沌序列X＝{x_i}_kmn，

类似地，随机选取y₀∈(0，1)和p₂∈(0，0.5)，可产生另外一个混沌序列Y＝{y_i}_k。

进一步地，所述步骤1中，对X按照元素值大小进行升序排列，可得到一个新混沌序列X＇＝{x_i＇}_kmn＝{x_t1，x_t2，…，x_tkmn}，下标t₁，t₂，…，t_kmn是1，2，…，kmn的一个全排列；按照元素位置，对大图像中的每个像素用***数字1，2，…，kmn进行编码，并按照此全排列对像素进行位置置乱，得到置乱大图像I^dif。

进一步地，所述步骤1中，假设计算机的精度为10^-14，计算

y_i＇＝floor(y_i×10¹⁴)，i＝1，2，…，k， (3)

可得到一个整数序列Y＇。

进一步地，所述步骤1中，分割置乱大图像I^dif成k幅m×n同等大小的图像，即I^e1，I^e2，…，I^ek视为该方法的加密图像，并用Y＇中的元素分别作为这k幅图像的文件名。

进一步地，所述步骤1中，k幅加密图像与密钥x₀，y₀，p₁，p₂不可一起发送；通过网络给接收方发送k幅加密图像I^e1，I^e2，…，I^ek；密钥的发送则通过较为安全的信道单独发送。

所述解密过程为加密过程的逆过程。

有益效果：本发明针对现有多数单幅图像加密方法加密多幅图像时效率低问题，难以适应批量图像加密的难点，提出一种基于PWLCM混沌的多幅图像加密方法。主要贡献有以下3点：(1)以多幅图像为加密对象，通过将多幅图像转化为单幅大图像，加密单幅大图像，再将其转化为多幅加密图像的思想，实现对多幅图像内容的保护；(2)采用PWLCM混沌***对多幅图像进行批量加密，计算量小，提高了加密效率；(3)该方法依赖混沌理论，采用PWLCM混沌***对多幅图像进行像素位置置乱和加密图像命名，密钥敏感性强，密钥空间大，安全性高。

附图说明

图1：基于PWLCM混沌的多幅图像加密方法加密流程图；

图2：交互图像；

图3：大图像；

图4：置乱图像；

图5：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。

基于PWLCM混沌的多幅图像加密方法加密流程图，如图1所示。

采用的编程软件为Matlab 7.0，选取图2所示的9幅512×512同等大小的灰色图像为实验对象。采用基于PWLCM混沌的多幅图像加密方法，对9幅交互图像加密的具体过程如下：

1.为加密9幅512×512同等大小的灰色交互图像，即I₁，I₂，…，I₉，发送方Alice按照一定的顺序将9幅交互图像转化为一幅大图像可表示为

如图3所示。

2.随机选取x₀＝0.28153489126924和p₁＝0.44537834013456分别作为PWLCM混沌***的初始值和控制参数，利用公式(2)所示混沌***通过迭代9×512×512次，可产生一个混沌序列X＝{x_i}_9×512×512。类似地，随机选取y₀＝0.46567899345427和p₂＝0.13184640452142，可产生另外一个混沌序列Y＝{y_i}₉。x₀，y₀，p₁和p₂视为该方法的密钥。

3.对X按照元素值大小进行升序排列，可得到一个新混沌序列X＇＝{x_i＇}_9×512×512＝{x_t1，x_t2，…，x_t9×512×512}。因此，下标t₁，t₂，…，t_9×512×512是1，2，…，9×512×512的一个全排列。按照元素位置，对大图像中的每个像素用***数字1，2，…，9×512×512进行编码，并按照此全排列对像素进行位置置乱，得到置乱大图像I^dif，如图4所示。

4.利用公式(3)，可得到一个整数序列Y＇。

5.分割置乱大图像I^dif成9幅等512×512同等大小的图像，即I^e1，I^e2，…，I^e9，对应的文件名分别为Y＇中的元素。这k幅图像视为该方法的加密图像，如图5所示。

6.发送9幅加密图像I^e1，I^e2，…，I^e9给接收方。

上述实例中，接收方在已知密钥的情况下，进行上述加密过程的逆操作，即可实现对加密图像的解密，从而获得9幅原始交互图像。

Claims

1.基于PWLCM混沌的多幅图像加密方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：将k幅大小为m行和n列的交互图像I ¹，I ²，…，I ^k组合成一幅大图像I；

步骤2：根据***初始值x ₀和控制参数p ₁进行PWLCM混沌***迭代运算k×m×n次，获得混沌序列X，用于置乱大图像；根据***初始值y ₀和控制参数p ₂进行PWLCM混沌***迭代运算k次，获得混沌序列Y，用于命名k幅加密图像；

步骤3：利用混沌序列X，置乱大图像I，获得置乱大图像I ^dif；

步骤4：利用floor()取整函数对混沌序列Y整数化，获得整数序列Y＇；

步骤5：将置乱大图像I ^dif分割成k幅加密图像I ^e1，I ^e2，…，I ^ek；

步骤6：发送加密图像给接收方。

2.根据权利要求1所述的基于PWLCM混沌的多幅图像加密方法，其特征在于，所述步骤1中的组合是指：为加密k幅m×n同样大小的交互图像，即I ¹，I ²，…，I ^k，按照一定的顺序将幅交互图像转化为一幅大图像，若k=k ₁×k ₂，k ₁和k ₂均为正整数，则大图像可表示为

（1）。

3.根据权利要求1所述的基于PWLCM混沌的多幅图像加密方法，其特征在于，所述步骤2中的PWLCM混沌***迭代是指：随机选取x ₀∈(0，1)和p ₁∈(0，0.5)分别作为PWLCM混沌***的初始值和控制参数，利用如下公式（2）所示的混沌***通过迭代k×m×n次，可产生一个混沌序列X={x _i}_kmn，

；（2）

类似地，随机选取y ₀∈(0，1)和p ₂∈(0，0.5)，可产生另外一个混沌序列Y={y _i}_k。

4.根据权利要求1所述的基于PWLCM混沌的多幅图像加密方法，其特征在于，所述步骤3中的置乱大图像是指：对X按照元素值大小进行升序排列，可得到一个新混沌序列X＇={x _i ＇}_kmn={x _t1，x _t2，…，x _tkmn}，下标t ₁，t ₂，…，t _kmn是1，2，…，kmn的一个全排列；按照元素位置，对大图像中的每个像素用***数字1，2，…，kmn进行编码，并按照此全排列对像素进行位置置乱，得到置乱大图像I ^dif。

5.根据权利要求1所述的基于PWLCM混沌的多幅图像加密方法，其特征在于，所述步骤4中的整数化是指：假设计算机的精度为10^-14，计算

y _i ＇=floor(y _i×10¹⁴)，i=1，2，…，k，（3）

可得到一个整数序列Y＇。

6.根据权利要求1所述的基于PWLCM混沌的多幅图像加密方法，其特征在于，所述步骤5中的分割是指：分割置乱大图像I ^dif成k幅m×n同等大小的图像，即I ^e1，I ^e2，…，I ^ek视为该方法的加密图像，并用Y＇中的元素分别作为这k幅图像的文件名。

7.根据权利要求1所述的基于PWLCM混沌的多幅图像加密方法，其特征在于，所述步骤6中的发送是指：k幅加密图像与密钥x ₀，y ₀，p ₁，p ₂不可一起发送；通过网络给接收方发送k幅加密图像I ^e1，I ^e2，…，I ^ek；密钥的发送则通过较为安全的信道单独发送。

8.根据权利要求1所述的基于PWLCM混沌的多幅图像加密方法，其特征在于，解密过程是加密过程的逆过程。