基于迭代FrFT和混沌的單通道彩色圖像加密方法
【專利摘要】基于迭代FrFT和混沌的單通道彩色圖像加密方法，其特征在于：先將彩色圖像混沌置亂，分解為三部分；然后，加密其中兩部分得到中間結(jié)果，最后，將加密中間結(jié)果的振幅和第三部分得到最終密文。本發(fā)明將分?jǐn)?shù)傅里葉變換和成對Logistic混沌映射相結(jié)合，使加密圖像具有非線性和無序性，提高了加密系統(tǒng)的安全性和收斂速度，解決了現(xiàn)有加密方法收斂速度慢的問題，同時，降低了彩色圖像加密系統(tǒng)的復(fù)雜度，系統(tǒng)簡單，操作方便。
【專利說明】基于迭代FrFT和混沌的單通道彩色圖像加密方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于虛擬光學(xué)信息加密方法【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于迭代FrFT (分?jǐn)?shù)傅里葉變換)和混沌的單通道彩色圖像加密方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)上非法數(shù)據(jù)獲取問題日益嚴(yán)重，越來越多的研究者將他們關(guān)注點轉(zhuǎn)向圖像信息安全。而光學(xué)技術(shù)能高效地并行處理二維數(shù)據(jù)，因此光學(xué)加密技術(shù)已經(jīng)成為一個重要的研究領(lǐng)域。過去二十年中，研究者們已經(jīng)提出了各種各樣的圖像信息加密系統(tǒng)。Refregier和Javidi提出的雙隨機(jī)相位加密系統(tǒng)已得到廣泛使用。雙隨機(jī)相位系統(tǒng)是一個標(biāo)準(zhǔn)4-f系統(tǒng)，該系統(tǒng)中輸入平面和傅里葉平面分別放置隨機(jī)相位模板，以此來改變圖像的頻譜，進(jìn)而達(dá)到加密的目的。
[0003]繼雙隨機(jī)相位加密技術(shù)后，研究者們提出了基于不同域(如分?jǐn)?shù)傅里葉變換域、菲涅爾域、GT域)的圖像加密算法。而上述這些方法最主要缺點是使用單色光照射輸入圖像，使得解密得到的圖像丟失了原圖像的彩色信息。因此，在實際應(yīng)用中彩色圖像加密是一個難題。趙道木和陳林峰不僅提出了基于波分復(fù)用和無透鏡菲涅爾變換全息圖的彩色圖像加密算法，還提出了基于分?jǐn)?shù)傅里葉變換和數(shù)字全息的彩色信息加密和合成算法。Joshi等提出基于分?jǐn)?shù)傅里葉變換和自然對數(shù)的非線性彩色圖像加密方案。陳文等提出基于阿諾德變換和干涉技術(shù)的彩色圖像加密算法。劉正軍等提出離散余弦變換域基于阿諾德變換和顏色混合操作的彩色圖像加密方法，該方法用阿諾德變換置亂彩色圖像三個通道的像素位置，用離散余弦變換改變像素值。Muhammad在GT域不僅提出基于離散余弦變換和徑向希爾伯特相位掩碼的彩色信息加密方法，還提出基于阿諾德變換的彩色信息加密方法。Hwang提出菲涅爾變換域基于改進(jìn)Gerchberg - Saxton算法的圖像加密算法。
[0004]然而，上述討論的算法都屬于多通道加密，即將彩色圖像的紅綠藍(lán)三個通道單獨加密、解密，這樣會提高加密系統(tǒng)的復(fù)雜度。為了克服這個問題，研究者已經(jīng)提出了各種基于單通道技術(shù)的彩色圖像加密方案。劉紅軍和王興元提出使用空間位水平置亂和高維混沌映射的彩色圖像加密方法，該方案先將MXN像素的彩色圖像轉(zhuǎn)換成MX 3N的灰度圖像，然后使用分段混沌映射產(chǎn)生的序列對該灰度圖像實施位水平置亂，接下來將置亂后的圖像分解成三部分，對該三部分分別使用Chen系統(tǒng)實現(xiàn)混淆、擴(kuò)散。陳文提出基于彩色圖像的索引圖像的光學(xué)非對稱加密系統(tǒng)，該系統(tǒng)中用到了菲涅爾域的相位截斷策略。周南潤等提出基于混沌映射和分?jǐn)?shù)傅里葉變換的彩色圖像加密方案，在該方案中，彩色圖像先被加密或解密成色相飽和磁化強(qiáng)度。此外，周南潤等提出了基于實時存儲的分?jǐn)?shù)梅林變換的非線性彩色圖像加密算法，該算法中，密文是實時的，易于顯示、傳輸、存儲。鄧曉鵬和趙道木提出了一個單通道非對稱加密系統(tǒng)，該系統(tǒng)將一幅彩色圖像加密成一個實值灰度密文，這樣使得解密過程相當(dāng)簡單。上述算法都是基于單通道技術(shù)的彩色圖像加密，雖然他們在一定程度上簡化了加密過程，但依然存在密鑰空間小、安全性低、收斂速度慢等問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的是提出一種基于迭代FrFT和混沌的單通道彩色圖像加密方法，解決現(xiàn)有技術(shù)部分存在的密鑰空間小、安全性低、收斂速度慢、算法復(fù)雜的問題。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是，基于迭代FrFT和混沌的單通道彩色圖像加密方法，先將彩色圖像混沌置亂，分解為三部分；然后，加密其中兩部分得到中間結(jié)果，最后，將加密中間結(jié)果的振幅和第三部分得到最終密文。
[0007]本發(fā)明的特點還在于，具體步驟如下:
[0008]第一步:將彩色圖像混沌置亂，分解為C1, C2, C3三部分；先將三維MXNX 3像素的彩色圖像轉(zhuǎn)換成二維3MXN像素的灰度圖像，再使用成對logistic映射產(chǎn)生的混沌序列對置亂該灰度圖像，得到置亂后的3MXN的灰度圖像，將置亂后的3MXN的灰度圖像分解成三部分CiQ = 1,2, 3)，每一部分都是MXN像素。
[0009]第二步，加密C1, C2得到中間結(jié)果gi2 ；設(shè)C1為輸入圖像，C2為輸出圖像，對C1和C2分別實施迭代分?jǐn)?shù)傅里葉變換得到中間結(jié)果g
[0010]第三步，以C12作為輸入圖像f，C3作為輸出圖像g，對C12和C3分別實施迭代分?jǐn)?shù)傅里葉變換得到最終密文。
[0011]上述第一步中，成對logistic映射產(chǎn)生的混沛序列對為(xn, yn):
【權(quán)利要求】
1.基于迭代FrFT和混沌的單通道彩色圖像加密方法，其特征在于:先將彩色圖像混沌置亂，分解為三部分；然后，加密其中兩部分得到中間結(jié)果，最后，將加密中間結(jié)果的振幅和第三部分得到最終密文。
2.如權(quán)利要求1所述的基于迭代FrFT和混沌的單通道彩色圖像加密方法，其特征在于: 第一步:將彩色圖像混沌置亂，分解為C1, C2, C3三部分；先將三維MXNX3像素的彩色圖像轉(zhuǎn)換成二維3MXN像素的灰度圖像，再使用成對logistic映射產(chǎn)生的混沌序列對置亂該灰度圖像，得到置亂后的3MXN的灰度圖像，將置亂后的3MXN的灰度圖像分解成三部分Ci (i = I, 2, 3)，每一部分都是MXN像素。 第二步，加密C1, C2得到中間結(jié)果gi2 ;設(shè)C1為輸入圖像，C2為輸出圖像，對C1和C2分別實施迭代分?jǐn)?shù)傅里葉變換得到中間結(jié)果g12。 第三步，以C12作為輸入圖像f，C3作為輸出圖像g，對C12和C3分別實施迭代分?jǐn)?shù)傅里葉變換得到最終密文。
3.如權(quán)利要求2所述的基于迭代FrFT和混沌的單通道彩色圖像加密方法，其特征在于:所述第一步中，成對logistic映射產(chǎn)生的混沛序列對為(xn, yn):
4.如權(quán)利要求2所述的基于迭代FrFT和混沌的單通道彩色圖像加密方法，其特征在于:所述第二步中，分?jǐn)?shù)傅里葉變換迭代N次時，達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn)，即第N次迭代時，對C1和相位調(diào)制得到的結(jié)果實施h階分?jǐn)?shù)傅里葉變換，變換后得到的結(jié)果和相位Φ/進(jìn)行調(diào)制，再對調(diào)制得到結(jié)果實施α 2階分?jǐn)?shù)傅里葉變換得到中間結(jié)果g12的振幅和輸出圖像C2的均方差MSE值達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn)，此時，停止迭代；而此時對C2和相位調(diào)制得到的結(jié)果實施β !階分?jǐn)?shù)傅里葉變換，變換后得到的結(jié)果和相位φ2Ν進(jìn)行調(diào)制，再對調(diào)制得到結(jié)果實施β 2階分?jǐn)?shù)傅里葉變換也可得到中間結(jié)果g12; g12即為C1, C2加密得到的中間結(jié)果，提取gl2的振幅得到C1, C2加密后的密文C12,提取g的相位得到C1, C2加密后的相位P12 ;該過程迭代結(jié)束時，伴隨產(chǎn)生相位P1, P2 ；
5.如權(quán)利要求2所述的基于迭代FrFT和混沌的單通道彩色圖像加密方法，其特征在于:所述第三步中，C12作為輸入圖像，C3作為輸出圖像，當(dāng)?shù)諗繒r，得到最終密文復(fù)圖像g123，提取g123的振幅得到最終密文C123，提取g的相位得到最終相位Pfinal。該過程中對C3實施Y P Y 2階分?jǐn)?shù)傅里葉變換，對C12實施α 1+ β i，α 2+ β 2階分?jǐn)?shù)傅里葉變換，迭代結(jié)束時，產(chǎn)生相位P3，P123。
6.如權(quán)利要求1-5任一項所述的基于迭代FrFT和混沌的單通道彩色圖像加密方法，其特征在于:還包括解密過程，解密過程是加密的逆過程；解密過程具體為，將最終密文C123和最終相位Pfinal調(diào)制為復(fù)圖像g123，對復(fù)圖像g123實施-(α 2+ β 2)階分?jǐn)?shù)傅里葉變換，變換后得到的結(jié)果和相位密鑰P123進(jìn)行調(diào)制，對調(diào)制得到的結(jié)果實施_( a !+^1)階分?jǐn)?shù)傅里葉變換即可得到中間結(jié)果g12;對復(fù)圖像gl”實施-Y2階分?jǐn)?shù)傅里葉變換，變換后得到的結(jié)果和相位密鑰P3進(jìn)行調(diào)制，對調(diào)制得到的結(jié)果實施-Y !階分?jǐn)?shù)傅里葉變換即可得到C3 ;對中間結(jié)果g12實施-α 2階分?jǐn)?shù)傅里葉變換，變換后得到的結(jié)果和相位密鑰P1進(jìn)行調(diào)制，對調(diào)制得到的結(jié)果實施- a i階分?jǐn)?shù)傅里葉變換即可得到C1 ;對中間結(jié)果gl2實施_β 2階分?jǐn)?shù)傅里葉變換，變換后得到的結(jié)果和相位密鑰P2進(jìn)行調(diào)制，對調(diào)制得到的結(jié)果實施_β工階分?jǐn)?shù)傅里葉變換即可得到C2 ;得到C1, C2, C3三部分后，將其重組為3MXN的灰度圖像，并對該灰度圖像實施逆混沌置亂即可`得到原始彩色圖像。
【文檔編號】H04L9/00GK103716502SQ201310739438
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月25日
【發(fā)明者】隋連升, 段快快, 陳濤, 蘆海偉 申請人:西安理工大學(xué)