CN113364573A - 基于公钥***和哈希算法的混沌图像加密及传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了基于公钥***和哈希算法的混沌图像加密及传输方法,包括针对基于ECC的综合加密方案和哈希算法,将密文图像与加密的哈希值合成一个加密数据包后进行传输,并在一种快速的动态分块图像加密方案下给出示例,重点强调该传输方案的在公共信道下的传输流程和该方法的可靠性,其中,基于ECC的公匙加密算法可以任意选择,超混沌***及加密、解密方案可以任意更换,多样化的***设计使得本发明具有很强的灵活性和可靠性。
Description
技术领域
本发明属于图像加密技术领域,涉及基于公钥***和哈希算法的混沌图像加密及传输方法。
背景技术
针对在公共信道中传输的文本、语音、图像、视频等数据,数据的安全性问题和传输方案一直是科学研究的难点。公钥加密***可用来加密数据、进行数字签名或者在安全通信的开始阶段进行密匙交换,由于其非对称性,该方法能够很好地抵抗选择明文攻击和选择密文攻击。现有流行的图像加密算法,均在置乱-扩散的结构下进行,相关文献或专利一般只给出加密、解密的方案,未对实际应用场景下或在公共信道下传输给出具体的方法。另外,现有算法都有一个共同特点:对称,这导致密匙在公共信道传输时极易受到攻击,故本发明采用非对称的方式,将公匙与私匙分离,能有效解决该问题。
哈希算法被广泛应用于产生混沌序列的初始值,通常做法是发送方使用明文图像获得哈希值,再将哈希值用于加密。为了解密图像,在传递加密图像时,需要连同哈希值一起传送。这种方式的缺陷在于,由于哈希值与明文相关,故攻击者可以通过哈希值来获取明文信息,导致密文的安全性大大降低,故本发明将哈希值也进行加密,将能解决这一问题。
基于离散或连续混沌的图像加密方案,为了取得良好的加密效果,一般需要进行多轮置乱-扩散操作。最新的研究中,超混沌***因其复杂的动力学行为,只需一轮扩散就能实现可靠的加密。
针对上述客观挑战或现存问题,本发明提出了一种基于椭圆曲线密码(ECC)和哈希算法的图像加密及传输方案,提高加密的效率和传输安全性。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的问题,提供基于公钥***和哈希算法的混沌图像加密及传输方法,解决了密匙在公共信道传输时极易受到攻击,导致安全性和传输效率较低的问题。
为此,本发明采取以下技术方案:
基于公钥***和哈希算法的混沌图像加密及传输方法,包括如下步骤:
S1:接收方生成密匙对,并向发送方发送密匙对,所述密匙对包括公匙和私匙,其中,所述公匙用于加密数据,所述私匙用于解密数据;
S2:发送方利用公匙和ECIES加密哈希值,根据加密方案加密明文图像,并将两者合成一个加密数据包,完成上述操作后,发送方将加密数据包通过公共信道发送给接收方;
S3:接收方接收到加密数据包后,将加密数据包拆解为加密图像和加密哈希值,所述加密哈希值通过私匙和ECIES解密,再将解密后的哈希值用于解密明文图像即可。
进一步地,将所述哈希值与加密明文图像结合成加密数据包的方法包括置乱过程和扩散过程,在置乱过程完成后,执行扩散操作,其中,所述置乱过程包括如下步骤:
S1:对大小为M×N的明文图像P,首先将其从原来的像素级格式转化为5个比特级平面,所述平面集合包括一个由原图像的所有像素的低1-4位比特所组合成的平面和四个依次由第5-8位比特所组成的平面;
S2:在完成对图片的转换后,对于平面集合中的每一个平面,如果它相对于其他的平面而言含有更多的信息量,那么就会被划分为更小的块,具体地,将由第8位比特组成的平面划分为若干1×1的块,将由第7、6和5位比特组成的平面划分为若干2×2、4×4和8×8的块,将由原图像所有像素的低1-4位比特组成的平面划分为16×16的块;
S3:由于划分完成的平面等价于由划分好的块为单位组成的矩阵,继续对上述矩阵其进行行移位操作与列移位操作,且所述移位距离由超混沌序列来决定的;
S4:将上述五个置乱后的平面组合在一起并且转化为像素级格式的图像,并且尺寸为M×N。
进一步地,所述扩散过程包括如下步骤:
S1:在产生的混沌序列的基础上,生成一个用于扩散操作的子混沌序列,用来生成子混沌序列的母序列为x(i),子序列将会从x(i)中产生后,将子序列转化为二维序列x(i,j),尺寸为M×N;
S2:将经过置乱过程后的图片PM(i,j)中的每一个像素,与其右方和下方的临近像素的关联将通过像素值之间与二维的序列x(i,j)的异或运算被建立起来,在扩散过程后生成的是最终的加密图片C(i,j)。
进一步地,所述移位距离如下公式来计算:
row = floor(mod(rowChao(indexRow2 + n)×104, indexCol))
col = floor(mod(colChao(indexCol2 + n)×104, indexRow))
其中,indexRow和indexCol分别代表着行中的块数和列中的块数,rowChao和colChao是两个生成的混沌序列,n代表当前行或者当前列的序号数, floor(x)代表最大的但不大于x的整数。
本发明的有益效果在于:
1.本发明提出了一种非对称的公钥***图像加密传输方案,将公匙与私匙分离,使加密图像可以安全地在公共信道中传输,另外,本发明在加密过程中采用超混沌序列,相较于混沌序列,其动力学行为更复杂,安全性更高;
2.本发明在加密过程中只需一轮置乱-扩散的快速动态分块图像加密算法,能够提高加密效率;
3.本发明中基于ECC的公匙加密算法可以任意选择,超混沌***及加密、解密方案也可以任意更换,多样化的***设计使得本发明具有很强的灵活性和可靠性。
附图说明
图1为本发明传输流程示意图;
图2为本发明加密流程示意图;
图3为本发明实施例中置乱过程的平面转化示意图;
图4为本发明实施例中置乱过程的分块示意图;
图5为本发明实施例中的矩阵移位示意图;
图6为本发明实施例中的扩散过程示意图;
图7为本发明实施例中的扩散算法示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施方法对本发明的技术方案进行相关说明。
如图1和2所示,基于公钥***和哈希算法的混沌图像加密及传输方法,包括如下步骤:
S1:接收方生成密匙对,并向发送方发送密匙对,所述密匙对包括公匙和私匙,其中,所述公匙用于加密数据,所述私匙用于解密数据;
S2:发送方利用公匙和ECIES加密哈希值,根据加密方案加密明文图像,并将两者合成一个加密数据包,完成上述操作后,发送方将加密数据包通过公共信道发送给接收方;
S3:接收方接收到加密数据包后,将加密数据包拆解为加密图像和加密哈希值,所述加密哈希值通过私匙和ECIES解密,再将解密后的哈希值用于解密明文图像即可。
其中,将哈希值与加密明文图像结合成加密数据包的方法包括置乱过程和扩散过程,在置乱过程完成后,执行扩散操作。
具体地,置乱过程包括如下步骤:
S1:如图3所示,将明文图片转化为5个不同的平面,其中,一个平面是由明文图像中每一个像素的第1-4个比特位组合而成的,其余四个平面分别由第5-8位比特所组成;
S2:将上述平面根据每个比特所含有的信息总量来分成大小不同的块,由于第8比特平面所含有的信息多于任意其他平面,故块的尺寸为1×1,当平面的长和宽都是16的倍数时,第7、第6和第5比特平面将依次被划分为2×2、4×4和8×8大小的块,否则,将用0来填充平面,对于组合平面,因为其含有的信息量是最少的,为了提升时间效率,采用16×16的尺寸来进行块的划分;
如图4所示,图中展示针对一个第7比特平面范例进行划分的过程,在该过程中,示例平面以2×2的尺寸大小被划分为若干的块,为了便于描述,将自左向右、自上而下分别对划分好的块依次命名为A-P;
S3:为了确保随机性和与明文图像之间的关系,之前所生成的超混沌序列被用来决定移位过程中的移位距离,为了避免过度使用序列所造成的不安全性,通过如下公式来计算移位的距离:
row = floor(mod(rowChao(indexRow2 + n)×104, indexCol))
col = floor(mod(colChao(indexCol2 + n)×104, indexRow))
其中,indexRow和indexCol分别代表着行中的块数和列中的块数,rowChao和colChao代表着两个生成的混沌序列,n代表着当前行或者当前列的序号数, floor(x)代表着最大的但不大于x的整数。
如图5所示,在移位的距离确定之后,移位操作如图所示:在分块之后所有矩阵的行将根据之前计算出来的移位距离依次进行移位操作,然后所有的列也按照类似的过程进行移位。
S4:将所有5个经过置乱后的平面组合成一个像素级别的,并且尺寸为M×N的图片,该过程本质上就是S1的逆过程,至此,置乱过程完成。
扩散过程操作步骤如下:
S1:在产生的混沌序列的基础上,被用于扩散操作的子混沌序列是基于一个已经产生的混沌序列而生成的,假设被选择用来生成的母序列为x(i),某子序列将会从x(i)中产生,在生成所需要的子序列之后,该子序列将会被转化为二维的序列x(i,j),尺寸为M×N;
S2:作为扩散部分的输入,将经过置乱过程后的图片PM(i,j)中的每一个像素,与其右方和下方的临近像素的关联将通过像素值之间与二维的序列x(i,j)的异或运算被建立起来,在扩散过程后生成的是最终的加密图片C(i,j)。
如图6所示,若***作的像素位于图像右下角,则将其与二维混沌序列x(i,j)中对应位置的值进行异或运算得到密文的值;若***作的像素位于最右侧或者最底一行,则先需要同二维混沌序列x(i,j)中对应位置的值进行异或运算,然后与存在的右侧或下方的临近像素的像素值进行异或运算得到密文的值;对于右侧和下方均有临近像素的像素,将其像素值与二维混沌序列x(i,j)中对应位置的值、右侧临近像素的值与下方临近像素的值依次进行异或运输得到对应的密文的值。
如图7所示,上述算法的流程为:对于待操作的图片,从右下角的像素开始,自右向左、自底向上一次进行同二维混沌序列x(i,j)与临近像素的异或运算操作,在左上角的像素执行完后,全部的算法流程执行完毕。
在对明文图像进行加密之后,用来产生混沌***的哈希值将通过ECIES,基于从接收方接收到的公钥来进行加密,加密后的哈希值和密文图像将被组合成一个加密数据包以用于最终的传输,加密数据包的产生意味着整个加密过程的结束。
Claims (4)
1.基于公钥***和哈希算法的混沌图像加密及传输方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1:接收方生成密匙对,并向发送方发送密匙对,所述密匙对包括公匙和私匙,其中,所述公匙用于加密数据,所述私匙用于解密数据;
S2:发送方利用公匙和ECIES加密哈希值,根据加密方案加密明文图像,并将两者合成一个加密数据包,完成上述操作后,发送方将加密数据包通过公共信道发送给接收方;
S3:接收方接收到加密数据包后,将加密数据包拆解为加密图像和加密哈希值,所述加密哈希值通过私匙和ECIES解密,再将解密后的哈希值用于解密明文图像即可。
2.根据权利要求1所述的基于公钥***和哈希算法的混沌图像加密及传输方法,其特征在于,将所述哈希值与加密明文图像结合成加密数据包的方法包括置乱过程和扩散过程,在置乱过程完成后,执行扩散操作,其中,所述置乱过程包括如下步骤:
S1:对大小为M×N的明文图像P,首先将其从原来的像素级格式转化为5个比特级平面,所述平面集合包括一个由原图像的所有像素的低1-4位比特所组合成的平面和四个依次由第5-8位比特所组成的平面;
S2:在完成对图片的转换后,对于平面集合中的每一个平面,如果它相对于其他的平面而言含有更多的信息量,那么就会被划分为更小的块,具体地,将由第8位比特组成的平面划分为若干1×1的块,将由第7、6和5位比特组成的平面划分为若干2×2、4×4和8×8的块,将由原图像所有像素的低1-4位比特组成的平面划分为16×16的块;
S3:由于划分完成的平面等价于由划分好的块为单位组成的矩阵,继续对上述矩阵其进行行移位操作与列移位操作,且所述移位距离由超混沌序列来决定的;
S4:将上述五个置乱后的平面组合在一起并且转化为像素级格式的图像,并且尺寸为M×N。
3.根据权利要求1所述的基于公钥***和哈希算法的混沌图像加密及传输方法,其特征在于,所述扩散过程包括如下步骤:
S1:在产生的混沌序列的基础上,生成一个用于扩散操作的子混沌序列,用来生成子混沌序列的母序列为x(i),子序列将会从x(i)中产生后,将子序列转化为二维序列x(i,j),尺寸为M×N;
S2:将经过置乱过程后的图片PM(i,j)中的每一个像素,与其右方和下方的临近像素的关联将通过像素值之间与二维的序列x(i,j)的异或运算被建立起来,在扩散过程后生成的是最终的加密图片C(i,j)。
4.根据权利要求2所述的基于公钥***和哈希算法的混沌图像加密及传输方法,其特征在于,所述移位距离如下公式来计算:
row = floor(mod(rowChao(indexRow2 + n)×104, indexCol))
col = floor(mod(colChao(indexCol2 + n)×104, indexRow))
其中,indexRow和indexCol分别代表着行中的块数和列中的块数,rowChao和colChao是两个生成的混沌序列,n代表当前行或者当前列的序号数, floor(x)代表最大的但不大于x的整数。
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