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基于二維離散小波變換和時(shí)空混沌的彩色圖像無(wú)損加密方法

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基于二維離散小波變換和時(shí)空混沌的彩色圖像無(wú)損加密方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及圖像加密領(lǐng)域,特別涉及一種基于二維離散小波變換和時(shí)空混沌的彩 色圖像無(wú)損加密方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)如今,大量的數(shù)字圖像在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上便捷傳播,如何保護(hù)圖像信息,避免被非 法復(fù)制、偽造、篡改、非法訪問(wèn)等成為信息安全領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)注熱點(diǎn)。由于數(shù)字圖像具有數(shù) 據(jù)量大、相鄰像素相關(guān)性強(qiáng)等特點(diǎn),傳統(tǒng)的加密算法如DES、AES、RSA等用于圖像加密時(shí),普 遍存在著加密效率低、安全性弱等問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn),混沌系統(tǒng)本身具有的優(yōu)良特性非常適 合用于信息加密,因此基于混沌理論的數(shù)字圖像加密技術(shù)引起了人們的廣泛關(guān)注和深入研 究。
[0003] 現(xiàn)有的許多圖像加密算法都是基于空間域進(jìn)行的,即直接對(duì)圖像像素進(jìn)行加密處 理。這類方法偏重于破壞相鄰像素的相關(guān)性,但使得密文圖像不可壓縮。由于圖像數(shù)據(jù)量 普遍非常龐大,在存儲(chǔ)和傳輸過(guò)程中通常要對(duì)圖像進(jìn)行正交變換后作編碼處理。因此,人們 考慮在進(jìn)行編碼處理的過(guò)程中進(jìn)行加密操作,如在離散余弦變換(DCT)域、離散小波變換 (DWT)域、傅里葉變換(FT)域上加密等。需要注意的是,基于DCT域或FT域的數(shù)字圖像加 密方法無(wú)法完全消除塊邊界的關(guān)聯(lián)性,這往往會(huì)產(chǎn)生人為的塊效應(yīng)問(wèn)題,從而影響算法圖 像解密效果。而基于DWT域的數(shù)字圖像加密方法將圖像作為一個(gè)整體進(jìn)行加密,不涉及圖 像分塊,從而避免了出現(xiàn)塊效應(yīng)問(wèn)題。此外,DWT還具有以下優(yōu)點(diǎn):具有內(nèi)在的伸縮比例和 較好的辨識(shí)性;同時(shí)在時(shí)間域和空間頻率域上具有良好的定位;比DCT具有更高的靈活性 等。因此,在DWT域上對(duì)數(shù)字圖像加密具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。
[0004] 現(xiàn)有的基于DWT域的數(shù)字圖像加密方法主要針對(duì)灰度圖像。彩色圖像比灰度圖像 包含的信息量更豐富,數(shù)據(jù)格式和表示更為復(fù)雜。因此,針對(duì)灰度圖像的加密方法并不能直 接推廣應(yīng)用于彩色圖像的加密。此外,這些算法還存在著安全性弱、感知退化、信息丟失等 問(wèn)題。在一些特殊應(yīng)用行業(yè),如醫(yī)學(xué)、生物基因、軍事等,嚴(yán)格要求加、解密圖像必須完全相 同。因此,有必要研究基于DWT域的彩色圖像無(wú)損加密方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為克服現(xiàn)有的基于DWT域的圖像加密算法的缺陷,本發(fā)明提出一種利用二維離散 小波變換和時(shí)空混沌的彩色圖像無(wú)損加密算法,該算法安全性高,加密效果好,能夠有效抵 抗統(tǒng)計(jì)攻擊、已知和選擇明文攻擊、選擇密文攻擊等。
[0006] 按照本發(fā)明所提供的設(shè)計(jì)方案,一種基于二維離散小波變換和時(shí)空混沌的彩色圖 像無(wú)損加密方法,包含如下步驟:
[0007] 步驟1.輸入大小為WXH的彩色明文圖像Itl,分離圖像^的R、G、B三基色分量, 得到大小為WXH的分量矩陣IR、IGjP IB。;
[0008] 步驟2.利用外部密鑰Key,并根據(jù)明文圖像Itl,產(chǎn)生單向耦合映像格子的系統(tǒng)參 數(shù)和初始值,對(duì)時(shí)空混沌系統(tǒng)進(jìn)行迭代運(yùn)算得到密鑰流1和K 2;
[0009] 步驟3.對(duì)分量矩陣1&、IGjP IB ^分別進(jìn)行二維離散小波變換,得到大小為mXη 的子帶組:{LL11,LHll, HLll, ΗΗ11}、{LL21, LH21, HL21, ΗΗ21}和{LL31, LH31, HL31, ΗΗ31}, 每子帶組包含低頻子帶LL、低高頻子帶LH、高低頻子帶HL、高頻子帶HH,其中,m、η均為自 然數(shù);
[0010] 步驟4.利用步驟2中得到的密鑰流心,對(duì)步驟3中的子帶元素 LL11、LH11、HH11、 LL21、LH21、HH21、LL31、LH31、HH31分別進(jìn)行置亂處理,得到置亂后的子帶元素 LLir、 LHl廣、ΗΗ1Γ、LL2P、LH2P、ΗΗ2Γ、LL3P、LH3P、HH3廣;
[0011] 步驟 5.將子帶元素 LLll '、LHll '、HL11、LL21 '、LH21 '、HL21、LL31 '、 LH31 '、HL31的大小分別縮小mn倍,得到子帶元素 ZZTI、LHW、HLil、 LLlX 、 LHll 、 HLll、Hfl、LH3\ 、 HL31 ;
[0012] 步驟6.對(duì)子帶組 (LL11,xm \,HLll,HHl Γ}、{LL2\,LH2\,HL21HH2Y} m 丨ZZ3U//31,//131,////3 分別進(jìn)行二維離散小波逆變換,得到小波加密圖像1:及 IIV IGi、IB1,其中,IRp叫和IB汾別為I亦R、G、B基色分量矩陣;
[0013] 步驟7.利用步驟2得到的密鑰流K2,對(duì)步驟6中得到的小波加密圖像I1的像素 進(jìn)行擴(kuò)散處理,得到密文圖像C。
[0014] 所述步驟2中對(duì)時(shí)空混沌系統(tǒng)進(jìn)行迭代運(yùn)算得到密鑰流&和K 2,具體包含如下步 驟:
[0015] 步驟2. L設(shè)定外部密鑰Key長(zhǎng)度為320位,并均分40 ±夬,即Key = B1B2B3-B40, 根據(jù)單向稱合映像格子\=(丨-")[丨-+ 丨)-&·<(/+ 1.)]/2,其中,系 統(tǒng)參數(shù)a和ε為正的實(shí)數(shù),且a e (〇,1),ε e (〇, 2),及明文圖像I。的分量矩陣IR。、IGtl 和IBci,計(jì)算得到系統(tǒng)參數(shù)a和ε以及初始值Xk(O) (k=l,2,···,6);
[0016] 步驟2. 2.利用步驟2. 1得到的系統(tǒng)參數(shù)a和ε以及初始值Xk(O) (k=l,2,…,6), 迭代單向耦合映像格子t+WH次,其中,(t彡2000),并拋棄前個(gè)值,得到6組長(zhǎng)度為 /二+ L3"4j的實(shí)值混沛序列Xk;
[0017] 步驟2. 3.對(duì)步驟2. 2中得到的實(shí)值混沌序列Xk按照公式:X' k(i) = l〇eXXk(i )-round (10θ XXk (i)),做優(yōu)化改進(jìn),其中,(i = 1,2,…,I),函數(shù)round (X)為返回離x最近 的整數(shù),Θ為正整數(shù)且Θ e [4, 14];
[0018] 步驟2. 4.對(duì)序列Γ k按照如下公式:
[0019] A1 = {([^/8 J +1), ([^/8 J + 2),··; X12 {\_ΨΗβ\ + mn)} ,
[0020] λ2 ={Ζ;1·/12」+ 1),Ζ5'1·/12」+ 2),.··,Ζ5?Π //12」+ "?")} ,
[0021] ^ = {Z;(L 勝/16」+ 1),ζ;([·/16」+ 2),…,X(L紐/16」+ m?)} ,
[0022]
[0023] #2={X(1),X:(2),".,X(L_2」),Z;(L_2」+ 1),X;(L_2」+2),.",Z;(_},
[0024]
[0025] 到序列 λ p λ 2,λ 3和 μ p μ 2和 μ 3。
[0026] 步驟2. 5.對(duì)序列λ ρ λ 2和λ 3按升序排序,并將原序列中各元素所在的位置序號(hào) 取代重排序列中的對(duì)應(yīng)元素,得到由位置序號(hào)組成的序列AP 1, λΡ^Ρ λΡ3,并記作!^。,1) =λΡ^:),^:,〗)=λΡ2(:)和^:。)= λΡ3(:),得到密鑰流 K1;
[0027] 步驟2. 6.對(duì)序列μ i,μ 2和μ 3按降序排序,并將原序列中各元素所在的位置序 號(hào)取代重排序列中的對(duì)應(yīng)元素,得到由位置序號(hào)組成的序列UP 1, μΡ^Ρ μρ3,將這三個(gè) 序列分別轉(zhuǎn)換成大小為WXH的三個(gè)矩陣,將矩陣中
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