一種基于一維元胞自動(dòng)機(jī)的灰度圖像置亂方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于一維元胞自動(dòng)機(jī)的灰度圖像置亂方法，屬于信息安全領(lǐng)域中 的圖像保密技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 數(shù)字圖像置亂是指將圖像攪亂，消除位置或灰度相關(guān)性，從而使人類或計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)無法理解原始圖像所表達(dá)的真實(shí)含義。數(shù)字圖像的置亂技術(shù)，可以看做數(shù)字圖像加密的 一種途徑，也可以用作數(shù)字圖像隱藏、數(shù)字水印圖像植入和數(shù)字圖像秘密共享的預(yù)處理和 后處理過程。
[0003] 常見的圖像置亂方法有Arnold變換、Fibonacci-Q變換、幻方變換、騎士巡游變 換、Hilbert曲線、混沌排序方法等。其中，混沌排序的圖像置亂方法是先利用混沌映射產(chǎn) 生偽隨機(jī)序列，然后對產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列進(jìn)行排序得到置換地址集合，最后利用置換地址 集合完成圖像的置亂。然而，基于混沌的排序方法通常需要實(shí)值運(yùn)算，因此效率不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：本發(fā)明提供一種基于一維元胞自動(dòng)機(jī)的灰度圖像置亂方法，與基于混 沌排序的圖像置亂方法相比，一維元胞自動(dòng)機(jī)由于只需要進(jìn)行布爾運(yùn)算和整數(shù)運(yùn)算，并且 元胞自動(dòng)機(jī)的并行運(yùn)算的特點(diǎn)使得在軟硬件實(shí)現(xiàn)上更為簡單和高效。
[0005] 技術(shù)方案：一種基于一維元胞自動(dòng)機(jī)的灰度圖像置亂方法，具體實(shí)施步驟如下：
[0006] 步驟1 :提取明文灰度圖像的二維像素矩陣IMXN，M是圖像的寬度，N是圖 像的高度，均以像素計(jì)；將明文灰度圖像的二維像素矩陣Imxn轉(zhuǎn)換為一維像素序列 Pi，P2，· · ·，Pmxn;
[0007] 步驟2 :令一維元胞自動(dòng)機(jī)的長度為256個(gè)元胞，該一維元胞自動(dòng)機(jī)的演化規(guī)則如 下：
[0009] 式中，f( ·)為布爾函數(shù)，.s丨為第i個(gè)元胞在t時(shí)刻的狀態(tài)，i的取值為1-256, 為第i-Ι個(gè)元胞在t時(shí)刻的狀態(tài)，為第i-2個(gè)元胞在t時(shí)刻的狀態(tài)，4+1為第i+Ι個(gè)元 胞在t時(shí)刻的狀態(tài)，:為第i+2個(gè)元胞在t時(shí)刻的狀態(tài)，Sf1為第i個(gè)元胞在t+Ι時(shí)刻的 狀態(tài)，所述狀態(tài)的取值為〇或1 是異或運(yùn)算符，?是與運(yùn)算符，-是非運(yùn)算符；元胞的邊 界米用周期型，即~二 S256 ??? 二 S255，S257 = Λ\，tl?258 =心；
[0010] 步驟3,設(shè)置密鑰K，密鑰K為256比特的二進(jìn)制序列...，k256;同時(shí)，設(shè)置需 要產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列R的長度為L比特，L = 8XMXN ;
[0011] 步驟4,將密鑰K作為一維元胞自動(dòng)機(jī)在t = 0時(shí)刻的全局狀態(tài).， 一維元胞自動(dòng)機(jī)根據(jù)步驟2中的演化規(guī)則向前迭代，依次產(chǎn)生不同t時(shí)刻的全局狀態(tài) 5(?...,士6 ;取被4除余1的時(shí)刻的全局狀態(tài)作為二進(jìn)制序列輸出，當(dāng)輸出的二進(jìn)制序列 長度大于或等于L比特時(shí)，一維元胞自動(dòng)機(jī)停止迭代；
[0012] 步驟5,若步驟4中一維元胞自動(dòng)機(jī)輸出的二進(jìn)制序列長度等于L比特，則將該二 進(jìn)制序列直接作為偽隨機(jī)序列R輸出；若一維元胞自動(dòng)機(jī)輸出的二進(jìn)制序列長度大于L比 特，則將長度L之后的比特舍去后的二進(jìn)制序列作為偽隨機(jī)序列R輸出；從而完成偽隨機(jī)序 列R的生成。
[0013] 步驟6,將偽隨機(jī)序列R中每8位二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)，得到一個(gè)長度為 MXN的偽隨機(jī)序列Xl，x2, ...，Xmxn，然后通過排序變換，將偽隨機(jī)序列Xl，x2, ...，Xmxn中的 MXN個(gè)值由小到大排序，形成有序序列?,...,，記錄偽隨機(jī)序列中每個(gè)11在有序序 列中的位置編號h，從而形成置換地址集合T = It1, t2,. . .，tMXN};
[0014] 步驟7,根據(jù)置換地址集合T = 對明文灰度圖像的一維像素 序列Pi，P2,. . .，PmxN?行置換，即將第i個(gè)像素 P i置換到t i位置，i = 1，2,. . .，MXN ; 置換完成后，得到置換過后的一維像素序列P' dP' 2，...，P' MXN，將一維像素序列 p' i，p' 2，...，p' MXN轉(zhuǎn)換為二維像素矩陣，即得到了置亂后的密文圖像。
[0015] 本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：
[0016] 本發(fā)明與基于混沌排序的圖像置亂方法相比，基于一維元胞自動(dòng)機(jī)的圖像置亂方 法由于只需要進(jìn)行布爾運(yùn)算和整數(shù)運(yùn)算，并且元胞自動(dòng)機(jī)的并行運(yùn)算的特點(diǎn)使得在軟硬件 實(shí)現(xiàn)上更為簡單和高效。
【附圖說明】
[0017] 圖1是明文圖像；
[0018] 圖2是置亂過后的密文圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價(jià) 形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0020] 在本發(fā)明一種基于一維元胞自動(dòng)機(jī)的灰度圖像置亂方法的一個(gè)實(shí)施例中，明文圖 像選用大小為256X256的灰度圖像，灰度圖像的每一個(gè)像素由8比特組成，如圖1所示。依 據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，按照以下步驟進(jìn)行。
[0021] 步驟1 :提取明文灰度圖像的二維像素矩陣I256x256，圖像的寬度為256個(gè)像素， 圖像的高度為256個(gè)像素；將明文灰度圖像的二維像素矩陣I256x256轉(zhuǎn)換為一維像素序列 Pi，P2，· · ·，P65536;
[0022] 步驟2 :令一維元胞自動(dòng)機(jī)的長度為256個(gè)元胞，該一維元胞自動(dòng)機(jī)的演化規(guī)則如 下：
[0024] 式中，f(·)為布爾函數(shù)，丨為第i個(gè)元胞在t時(shí)刻的狀態(tài)，i的取值為1-256, .1C1 為第i_l個(gè)元胞在t時(shí)刻的狀態(tài)，I2為第i-2個(gè)元胞在t時(shí)刻的狀態(tài)，為第i+1個(gè)元胞 在t時(shí)刻的狀態(tài)，感2為第i+2個(gè)元胞在t時(shí)刻的狀態(tài)，4+?為第i個(gè)元胞在t+Ι時(shí)刻的狀 態(tài)，所述狀態(tài)的取值為〇或1 是異或運(yùn)算符，?是與運(yùn)算符，-是非運(yùn)算符；元胞的邊界 采用周期型，即
[0025] 步驟3,設(shè)置密鑰K，密鑰K為256比特的二進(jìn)制序列1^土3, . . .，k256;同時(shí)，設(shè)置需 要產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列R的長度為L = 524288比特；
[0026] 步驟4，將密鑰K作為一維元胞自動(dòng)機(jī)在t = 0時(shí)刻的全局狀態(tài).:·，*4?，： 一維元胞自動(dòng)機(jī)根據(jù)步驟2中的演化規(guī)則向前迭代，依次產(chǎn)生不同t時(shí)刻的全局狀態(tài) ;取被4除余1的時(shí)刻的全局狀態(tài)作為二進(jìn)制序列輸出，當(dāng)輸出的二進(jìn)制序列 長度大于或等于L比特時(shí)，一維元胞自動(dòng)機(jī)停止迭代；
[0027] 步驟5,若步驟4中一維元胞自動(dòng)機(jī)輸出的二進(jìn)制序列長度等于L比特，則將該二 進(jìn)制序列直接作為偽隨機(jī)序列R輸出；若一維元胞自動(dòng)機(jī)輸出的二進(jìn)制序列長度大于L比 特，則將長度L之后的比特舍去后的二進(jìn)制序列作為偽隨機(jī)序列R輸出；從而完成偽隨機(jī)序 列R的生成。
[0028] 步驟6,將偽隨機(jī)序列R中每8位二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)，得到一個(gè)長度為 65536的偽隨機(jī)序列Xl，x2,. . .，X65536，然后通過排序變換，將偽隨機(jī)序列Xl，x2,. . .，％5536中 的65536個(gè)值由小到大排序，形成有序序列?,.,.,.?，記錄偽隨機(jī)序列中每個(gè)X1在有序 序列中的位置編號h，從而形成置換地址集合T = It1, 七2, · · ·，；
[0029] 步驟7,根據(jù)置換地址集合T= {Λ，?2，...，?65536}對明文灰度圖像的一維像素 序列Pi，p2,. . .，Pks36進(jìn)行置換，即將第i個(gè)像素 P i置換到t i位置，i = 1，2,. . .，65536 ; 置換完成后，得到置換過后的一維像素序列P' dP' 2，...，P' 65536，將一維像素序列 P' 2，...，P< 65536轉(zhuǎn)換為二維像素矩陣，即得到了置亂后的密文圖像，如圖2所示。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于一維元胞自動(dòng)機(jī)的灰度圖像置亂方法，其特征在于，所述方法包括以下處 理步驟： 步驟1:提取明文灰度圖像的二維像素矩陣IMXN，M是圖像的寬度，N是圖像的高度，均 以像素計(jì)；將明文灰度圖像的二維像素矩陣Imxn轉(zhuǎn)換為一維像素序列Pi，P2, ...，Pmxn; 步驟2:令一維元胞自動(dòng)機(jī)的長度為256個(gè)元胞，該一維元胞自動(dòng)機(jī)的演化規(guī)則如下：步驟3,設(shè)置密鑰K，密鑰K為256比特的二進(jìn)制序列kik2k3,. . .，k256;同時(shí)，設(shè)置需要產(chǎn) 生的偽隨機(jī)序列R的長度為L= 8XMXN比特； 步驟4,將密鑰K作為一維元胞自動(dòng)機(jī)在t=O時(shí)刻的全局狀態(tài)矸g56，一維元胞 自動(dòng)機(jī)根據(jù)步驟2中的演化規(guī)則向前迭代，依次產(chǎn)生不同t時(shí)刻的全局狀態(tài);取 被4除余1的時(shí)刻的全局狀態(tài)作為二進(jìn)制序列輸出，當(dāng)輸出的二進(jìn)制序列長度大于或等于L比特時(shí)，一維元胞自動(dòng)機(jī)停止迭代； 步驟5,若步驟4中一維元胞自動(dòng)機(jī)輸出的二進(jìn)制序列長度等于L比特，則將該二進(jìn)制 序列直接作為偽隨機(jī)序列R輸出；若一維元胞自動(dòng)機(jī)輸出的二進(jìn)制序列長度大于L比特，則 將長度L之后的比特舍去后的二進(jìn)制序列作為偽隨機(jī)序列R輸出；從而完成偽隨機(jī)序列R 的生成。 步驟6,將偽隨機(jī)序列R中每8位二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)，得到一個(gè)長度為MXN的偽隨機(jī)序列X1,x2, ...，Xmxn，然后通過排序變換，將偽隨機(jī)序列Xl，x2, ...，Xmxn中的MXN 個(gè)值由小到大排序，形成有序序列1又....,V:;，記錄偽隨機(jī)序列中每個(gè)X1在有序序列 中的位置編號L，從而形成置換地址集合T=It1,t2,. . .，tMXN}; 步驟7,根據(jù)置換地址集合T= 對明文灰度圖像的一維像素序 列PuP2,...，pMXN進(jìn)行置換，即將第i個(gè)像素p;置換到t;位置，i= 1，2,...，MXN; 置換完成后，得到置換過后的一維像素序列P'dP' 2，...，P' MXN，將一維像素序列 p'i，p' 2，...，p'MXN轉(zhuǎn)換為二維像素矩陣，即得到了置亂后的密文圖像。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于一維元胞自動(dòng)機(jī)的灰度圖像置亂方法，該方法首先提取明文灰度圖像的像素矩陣并轉(zhuǎn)換為一維像素序列，然后利用一維元胞自動(dòng)機(jī)的迭代產(chǎn)生偽隨機(jī)序列，對偽隨機(jī)序列排序得到置換地址集合，接著利用置換地址集合對明文灰度圖像的一維像素序列進(jìn)行置換，最后將置亂過后的一維像素序列轉(zhuǎn)換成二維像素矩陣，得到置亂過后的密文圖像。本發(fā)明采用一維元胞自動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)灰度圖像的置亂，不僅具有良好的置亂效果，而且可以避免實(shí)值運(yùn)算提高算法效率。
【IPC分類】G06T1/00
【公開號】CN105046639
【申請?zhí)枴緾N201510479006
【發(fā)明人】平萍, 毛鶯池, 戚榮志, 許國艷, 呂鑫
【申請人】河海大學(xué)
【公開日】2015年11月11日
【申請日】2015年8月6日