一種基于多混沌系統(tǒng)的明文相關(guān)圖像加密方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及信息傳輸中的數(shù)字圖像加密方法以及混沌控制和同步設(shè)計(jì)技術(shù)，屬于 信息安全領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著多媒體信息處理技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展，多媒 體數(shù)據(jù)日益廣泛地在因特網(wǎng)或云計(jì)算節(jié)點(diǎn)間傳播和存儲(chǔ)，信息安全問題越來越受到人們的 重視。對(duì)于圖像、視頻等多媒體數(shù)據(jù)來說，由于這類信息的數(shù)據(jù)量大，且相鄰的數(shù)據(jù)之間具 有很強(qiáng)的相關(guān)性，導(dǎo)致傳統(tǒng)加密技術(shù)作為一般數(shù)據(jù)加密手段對(duì)于諸如圖像信息的加密顯得 效率低下，不能滿足實(shí)時(shí)性需要。然而，混沌信號(hào)具有對(duì)初始條件的極端敏感性、無周期性、 偽隨機(jī)性等復(fù)雜特性，與保密通信及密碼學(xué)之間有著天然的聯(lián)系，使得混沌加密技術(shù)在大 數(shù)據(jù)量加密的場合下具有優(yōu)越性，并且有更大的發(fā)展?jié)摿Α?br>[0003] 但是當(dāng)前混沌圖像加密技術(shù)普遍存在以下不足：
[0004] 以往研宄的混沌圖像加密技術(shù)多半基于低維離散混沌映射，雖然低維混沌映射具 有計(jì)算開銷小的優(yōu)點(diǎn)，但是由于其形式簡單、密鑰空間小，迭代序列的復(fù)雜度不高，導(dǎo)致低 維密碼系統(tǒng)安全性不高。然而，現(xiàn)存采用高維混沌系統(tǒng)的圖像加密技術(shù)，雖然其密鑰空間更 大，非線性行為更復(fù)雜也更難以預(yù)測，但是他們的密鑰流產(chǎn)生方式大多相對(duì)獨(dú)立，與明文圖 像信息毫無關(guān)聯(lián)，密文圖像的生成又單純依賴于密鑰，導(dǎo)致無法有效抵御常見的攻擊技術(shù)， 如差分攻擊技術(shù)。同時(shí)，采用多混沌系統(tǒng)的圖像加密技術(shù)也不同程度上具有以上的問題。
[0005] 本發(fā)明的先進(jìn)性體現(xiàn)在：首創(chuàng)性地將明文相關(guān)置亂技術(shù)、多混沌系統(tǒng)和感知器模 型三者相結(jié)合，兼顧了高維混沌系統(tǒng)安全性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建了明文與密鑰之間的相關(guān)性，在 三個(gè)不同的部件中引入了不同的種子密鑰，增大了密鑰空間，有效地降低了密鑰之間的相 關(guān)性，圖像置亂效果更佳、像素?cái)U(kuò)散程度更高，具有抵抗窮舉攻擊、統(tǒng)計(jì)攻擊、差分攻擊等常 見攻擊的能力，可以滿足圖像加密技術(shù)的安全性需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)上述存在的問題，本發(fā)明提出了一種基于多混沌系統(tǒng)的明文相關(guān)圖像加密方 法，將明文相關(guān)置亂技術(shù)、多混沌系統(tǒng)和感知器模型三者相結(jié)合，兼顧了高維混沌系統(tǒng)安全 性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，采用了置亂-擴(kuò)散-擴(kuò)散的算法結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了明文與密鑰之間的相關(guān)性，在三 個(gè)不同的部件中引入了不同的種子密鑰，增大了密鑰空間，有效地降低了密鑰之間的相關(guān) 性，圖像置亂效果更佳、像素?cái)U(kuò)散程度更高，具有抵抗窮舉攻擊、統(tǒng)計(jì)攻擊、差分攻擊等常見 攻擊的能力。
[0007] 本發(fā)明所述的基于多混沌系統(tǒng)的明文相關(guān)圖像加密方法，其特征在于，包括像素 置亂過程、第一次像素?cái)U(kuò)散過程、二次擴(kuò)散密鑰生成過程和第二次像素?cái)U(kuò)散過程：
[0008] (1)像素置亂過程
[0009] ①發(fā)送端接收到明文圖像，將其轉(zhuǎn)化為明文圖像序列{At，計(jì)算明文圖像所有像 素點(diǎn)的像素值之和，并求出其像素點(diǎn)的平均像素值，對(duì)所求得的平均像素值進(jìn)行歸一化操 作，得到帳篷混沌映射的初始值e，即種子密鑰I ;
[0010] ②發(fā)送端利用帳篷混沌映射迭代L次得到隨機(jī)實(shí)數(shù)序列kt，即密鑰流I，將此 隨機(jī)實(shí)數(shù)序列的值由小到大重新排列，得到新的實(shí)數(shù)序列K；^，記錄其中的置換下標(biāo)序列 {乃1〉
[0011] ③發(fā)送端將明文圖像序列hit,按照W =八的方式進(jìn)行置換，得到置換后的整數(shù) 序列丨At,，完成置亂操作。
[0012] (2)第一次像素?cái)U(kuò)散過程
[0013] ①發(fā)送端使用混沌分片線性映射，預(yù)先設(shè)定映射的初始值，即種子密鑰III，對(duì)混沌 分片線性映射進(jìn)行L次混沌迭代，得到隨機(jī)實(shí)數(shù)序列丨&匕，即密鑰流III;
[0014] ②發(fā)送端對(duì)此隨機(jī)實(shí)數(shù)序列進(jìn)行取整操作，得到新的隨機(jī)整數(shù)序列沐匕；
[0015] ③發(fā)送端將之前得到的整數(shù)序列IaX,與k.L進(jìn)行模256的加法，得到整數(shù)序列 kt，完成第一次擴(kuò)散操作。
[0016] (3)二次擴(kuò)散密鑰生成過程
[0017] ①發(fā)送端運(yùn)用四階龍格-庫塔方法，設(shè)定步長為0.001，基于混沌吸引子理論，利 用離散化方法，使用陳氏高維超混沌系統(tǒng)，設(shè)置系統(tǒng)的初始值;
[0018] ②發(fā)送端將陳氏高維超混沌系統(tǒng)迭代4001次，扔掉前4000次的值，保留第4001 次生成的系統(tǒng)值作為加密系統(tǒng)的迭代序列初始值即種子密鑰II;
[0019]③發(fā)送端利用初始值（X(1，~2(|，V(l)，對(duì)陳氏高維超混沌系統(tǒng)進(jìn)行8次混沌迭代，得 到可用的四維數(shù)組（Xk，Y k，Zk，Vk)，k G [1，8];
[0020] ④發(fā)送端對(duì)上述四維數(shù)組中的每一個(gè)數(shù)值進(jìn)行取整操作，得到新的四維數(shù)組 (Xk，yk，Zk，Vk)，ke[1，8]，再對(duì)此四維數(shù)組進(jìn)行篩選操作，得到三維數(shù)組（Blk，B2k，B3k)， kG[1，8]，即密鑰流II;
[0021] ⑤發(fā)送端將每一次得到的最后一組迭代四維數(shù)組（x8, Y8, z8, v8)作為下一次調(diào)用 此模塊的迭代初始值。
[0022] (4)第二次像素?cái)U(kuò)散過程
[0023] ①發(fā)送端針對(duì)之前產(chǎn)生的整數(shù)序列中每一個(gè)數(shù)值Si，將三維數(shù)組 (B lk，B2k，B3k)，k G [1，8]按照一種非線性變化規(guī)則，變換得到（KeyX (k)，KeyY (k)，KeyZ (k))， k G [1，8]，作為感知器模型中權(quán)值的參數(shù)；
[0024] ②發(fā)送端針對(duì)上一步產(chǎn)生的三維數(shù)組，按照另外一種非線性變化規(guī)則，變換得到 (wlk，w 2k，w3k)，k G [1，8]，作為感知器模型中每個(gè)神經(jīng)元的權(quán)值，并得到感知器模型中每個(gè) 神經(jīng)元的閾值9k，k G [1，8];
[0025] ③發(fā)送端將整數(shù)序列k.L中的十進(jìn)制元素Si轉(zhuǎn)化為8比特二進(jìn)制序列S ik， ke [1，8]，按照閾值選擇策略，得到8比特二進(jìn)制序列cik，ke [1，8]，再進(jìn)行進(jìn)制轉(zhuǎn)換得 到十進(jìn)制密文像素Ci。
[0026] 具體的步驟如下（流程參見圖6):
[0027] 步驟1 :獲取明文圖像的像素?cái)?shù)據(jù)信息，將明文圖像的像素?cái)?shù)據(jù)信息處理后得到 種子密鑰I，利用帳篷混沌映射迭代L次，產(chǎn)生密鑰流I ，轉(zhuǎn)至步驟2 ;
[0028] 步驟2 :讀取密鑰流I kt，將此隨機(jī)實(shí)數(shù)序列的值由小到大重新排列，得到新的 實(shí)數(shù)序列k ^，記錄其中的置換下標(biāo)序列，按照K = &的方式進(jìn)行置換，得到置換后 的明文圖像像素序列U't，，轉(zhuǎn)至步驟3 ;
[0029] 步驟3 :使用混沌分片線性映射，預(yù)先設(shè)定映射的初始值，即種子密鑰III，對(duì)混沌 分片線性映射進(jìn)行L次混沌迭代，得到隨機(jī)實(shí)數(shù)序列，即密鑰流III，對(duì)此隨機(jī)實(shí)數(shù)序 列進(jìn)行取整操作，得到新的隨機(jī)整數(shù)序列(ML，獲取置換后的明文圖像像素序列丨以二，將 之前得到的整數(shù)序列{Mt,與進(jìn)行模256的加法，得到整數(shù)序列k ^，完成第一次擴(kuò) 散操作轉(zhuǎn)至步驟4 ;
[0030] 步驟4 :運(yùn)用四階龍格-庫塔方法，設(shè)定步長為0. 001，將陳氏高維超混沌系統(tǒng)迭代 4001次，扔掉前4000次的值，保留第4001次生成的系統(tǒng)值作為加密系統(tǒng)的迭代序列初始值 (X。，yd, Zd, vj，將此初始值作為種子密鑰II，轉(zhuǎn)至步驟5 ;
[0031] 步驟5 :進(jìn)行密鑰擴(kuò)展，利用初始值（Xd, Zd, vj，對(duì)陳氏高維超混純系統(tǒng)進(jìn)行8 次混沌迭代，得到可用的四維數(shù)組（Xk，Yk，Z k，Vk)，k e [1，8]，對(duì)上述四維數(shù)組中的每一個(gè)數(shù) 值進(jìn)行取整操作，得到新的四維數(shù)組（xk，yk， Zk，vk)，ke [1，8]，再對(duì)此四維數(shù)組進(jìn)行篩選 操作，產(chǎn)生三維數(shù)組（Blk，B2k，B 3k)，k e [1，8]，作為密鑰流II，將每一次得到的最后一組迭代 四維數(shù)組（X8, Y8, Z8, V8)作為下一次調(diào)用此模塊的迭代初始值，轉(zhuǎn)至步驟6 ;
[0032] 步驟6 :進(jìn)行第二次擴(kuò)散操作，讀取整數(shù)序列{Vt和三維數(shù)組（Blk，B2k，B3k)， ke [1，8]，任取整數(shù)序列卜,匕中任意位置的數(shù)值sp將三維數(shù)組（Blk，B2k，B3k)，ke [1，8] 按照一種非線性變化規(guī)則，得到（KeyX(k)，KeyY(k)，KeyZ(k))，kG [1，8]，進(jìn)而，按照另外 一種非線性變化規(guī)則，得到（wlk，w2k，w3k)，k G [1，8]，作為感知器模型中每個(gè)神經(jīng)元的權(quán)值， 并得到感知器模型中每個(gè)神經(jīng)元的閾值0k，ke [1，8]，按照閾值選擇策略，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的密 文像素Ci，轉(zhuǎn)至步驟7;
[0033] 步驟7 :重復(fù)步驟5-步驟6,直到整個(gè)明文圖像加密完成，輸出密文圖像，加密結(jié) 束。
[0034] 本發(fā)明的有益效果：
[0035] 本發(fā)明首次提供了一種基于多混沌系統(tǒng)的明文相關(guān)圖像加密方法，將明文相關(guān)置 亂技術(shù)、多混沌系統(tǒng)和感知器模型三者相結(jié)合，采用了置亂-擴(kuò)散的算法結(jié)構(gòu)，兼顧了高維 混沌系統(tǒng)安全性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建了明文與密鑰之間的相關(guān)性，在三個(gè)不同的部件中引入了 不同的種子密鑰，增大了密鑰空間，有效地降低了密鑰之間的相關(guān)性，圖像置亂效果更佳、 像素?cái)U(kuò)散程度更高，具有抵抗窮舉攻擊、統(tǒng)計(jì)攻擊、差分攻擊等常見攻擊的能力，保證了在 不安全信道中圖像傳輸?shù)陌踩?。本發(fā)明在數(shù)字多媒體信息安全領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景， 可以應(yīng)用在圖像信息的處理和數(shù)字視頻、音頻等多媒體信息的加密實(shí)現(xiàn)中，以及保密硬件 存儲(chǔ)設(shè)備的靜態(tài)加密、計(jì)算機(jī)終端的接收或者發(fā)射端口等工業(yè)和技術(shù)生產(chǎn)中。
【附圖說明】
[0036] 圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037] 圖2為像素置亂過程示意圖；
[0038] 圖3為第一次像素?cái)U(kuò)散過程示意圖；
[0039] 圖4為二次擴(kuò)散密鑰生成過程示意圖；
[0040] 圖5為第二次像素?cái)U(kuò)散過程示意圖；
[0041] 圖6為本發(fā)明的方法流程圖；
[0042] 圖7為密鑰敏感性測試圖；
[0043] 圖8為統(tǒng)計(jì)直方圖；
[0044] 圖9為相鄰像素相關(guān)性測試圖。
[0045] 具體實(shí)施方法
[0046] 具體實(shí)施步驟如圖1總體結(jié)構(gòu)示意圖和圖6方法流程圖所示：
[0047] 步驟1 :獲取明文圖像的像素?cái)?shù)據(jù)信息，將明文圖像的像素?cái)?shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為明文 圖像序列U匕，計(jì)算明文圖像所有像素點(diǎn)的像素值之和，并求出其像素點(diǎn)的平均像素值， 對(duì)所求得的平均像素值進(jìn)行歸一化操作，得到帳篷混沌映射的初始值e，作為種子密鑰I， 利用帳篷混沌映射迭代L次得到隨機(jī)實(shí)數(shù)序列k.t，產(chǎn)生密鑰流I k匕，轉(zhuǎn)至步驟2 ;
[0048] 步驟2 :讀取隨機(jī)實(shí)數(shù)序列k.L，將此隨機(jī)實(shí)數(shù)序列的值由小到大重新排列，得到 新的實(shí)數(shù)序列，記錄其中的置換下標(biāo)序列丨:>，,匕，將明文圖像序列丨d,按照w =&的 方式進(jìn)行置換操作，得到置換后的明文圖像像素序列{p；!,，轉(zhuǎn)至步驟3 ;
[0049] 步驟3:獲取置換后的明文圖像像素序列，使用混沌分片線性映射，預(yù)先設(shè)定 映射的初始值，即種子密鑰III，基于混沌吸引子理論，利用離散化方法，對(duì)混