專利名稱：基于多分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)的彩色圖像加密和解密方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信息安全中的圖像加密解密領(lǐng)域，尤其涉及一種基于多分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)的彩色圖像加密和解密方法。
背景技術(shù)：
目前，數(shù)字圖像作為多媒體信息中最重要的一種信息表達(dá)形式，具有形象、直觀和生動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，已成為人們?nèi)粘Ｉ钪薪佑|最多的信息種類之一。隨著多媒體技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展，數(shù)字圖像信息已廣泛應(yīng)用于商業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事等眾多領(lǐng)域，極大的方便了人們的生產(chǎn)生活。但是，數(shù)字圖像也存在著諸多安全隱患，例如信息泄露、數(shù)據(jù)篡改、信息竊取等。如何保護(hù)圖像信息的安全已成為各界廣為關(guān)注的問(wèn)題。
圖像加密是圖像安全保護(hù)的核心技術(shù)。與一般的文本數(shù)據(jù)相比，數(shù)字圖像數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、相鄰像素相關(guān)性強(qiáng)等特點(diǎn)，盡管利用傳統(tǒng)的加密方法(如DES、AES、RSA等)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像加密，但存在加密效率低、安全性不高等缺陷，并不適合直接對(duì)圖像進(jìn)行加密。 近年來(lái)，混沌理論的應(yīng)用研究引起了密碼學(xué)界的廣泛興趣。由于混沌具有對(duì)初值的敏感性、 良好的偽隨機(jī)性、軌道的不可預(yù)測(cè)性等特征，這些特征正好能夠滿足密碼系統(tǒng)的要求，從而使得混沌理論在圖像加密領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
按照變換方式的不同，基于混沌的圖像加密方法可分為圖像像素位置變換和圖像像素值變換兩類加密方法。圖像像素位置變換加密方法是通過(guò)重排圖像矩陣中的數(shù)據(jù)位置，但不改變圖像像素值，使得圖像雜亂無(wú)章，從而達(dá)到加密的目的。該類方法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，加解密速度快，效果佳，但算法的安全性低，難以抵抗統(tǒng)計(jì)攻擊。圖像像素值變換加密方法是通過(guò)使用混沌系統(tǒng)生成密鑰來(lái)掩蓋明文，改變?cè)紙D像各像素點(diǎn)的像素值，使得竊密者無(wú)法辨認(rèn)，從而實(shí)現(xiàn)圖像加密的目的。這類圖像加密方法具有算法安全性高和加密強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，但算法加密效果不好，且效率低。已有的基于混沌的圖像加密方法大多是利用單一的低維混沌系統(tǒng)或映射產(chǎn)生混沌序列，對(duì)混沌序列經(jīng)過(guò)某種處理后得到密鑰，然后利用密鑰對(duì)圖像像素位置置亂或改變圖像像素值，以實(shí)現(xiàn)對(duì)原始圖像的加密處理?，F(xiàn)有的研究表明，基于單一的低維混沌系統(tǒng)或映射的圖像加密算法普遍存在安全性較低、密鑰空間較小、混沌序列易于破譯、難以抵抗窮舉攻擊等缺陷。
整數(shù)階混沌是分?jǐn)?shù)階混沌的特例。分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)除具有整數(shù)階混沌系統(tǒng)對(duì)初值敏感性、偽隨機(jī)性等優(yōu)良特性外，還具有分?jǐn)?shù)階系統(tǒng)所特有的一些性質(zhì)，如能夠反映系統(tǒng)的歷史信息、很強(qiáng)的歷史記憶性等。分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)增強(qiáng)了系統(tǒng)的非線性和復(fù)雜性，可增大加密算法的密鑰空間。并且，利用現(xiàn)有的整數(shù)階混沌分析和預(yù)測(cè)方法并不能估計(jì)出分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)的分?jǐn)?shù)階次，即現(xiàn)有的整數(shù)階混沌系統(tǒng)分析和預(yù)測(cè)方法對(duì)分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)失效。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于多分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)的彩色圖像加密和解密方法，密鑰敏感性高，密鑰空間大，加密效果好，安全性高。
本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種基于多分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)的彩色圖像加密和解密方法，所述的加密方法包括以下步驟(1)輸入圖像大小為MxiV的原始彩色圖像；，分離圖像石的汜仏沒(méi)三基色分量得到三個(gè)矩陣Iq-Rmn、Iq-GMN和I。-B!—'并將各分量的長(zhǎng)和寬分別劃分為m等份和等份，得到ra X η個(gè)大小為(M/m)x(N/n)的塊矩陣；(2)利用多個(gè)分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)生成用于置亂原始彩色圖像I0的置亂矩陣和(3)利用置亂矩陣Qr、Q13和Qb對(duì)原始圖像I0逐塊進(jìn)行置亂，得到置亂圖像I1;(4)將置亂圖像I1分解成三基色圖像，得到三基色分量矩陣A—Aw7、mIl- / ;(5)利用多個(gè)分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)生成用于加密置亂圖像I1的密鑰矩陣 ixMm ;(6 )利用密鑰矩陣△xn、△h和△M*N改變置亂后的圖像I1各像素點(diǎn)的RGB值，得到加密圖像I2。
所述的步驟(2)中使用的分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)為分?jǐn)?shù)階Chen混沌系統(tǒng)和分?jǐn)?shù)階LU混沛系統(tǒng)，
權(quán)利要求
1.一種基于多分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)的彩色圖像加密方法，其特征在于包括以下步驟(1)輸入圖像大小為MxN的原始彩色圖像I0，分離圖像Id的R、G、B三基色分量得到三個(gè)矩陣
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于多分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)的彩色圖像加密方法，其特征在于所述的步驟(2)中使用的分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)為分?jǐn)?shù)階Chen混沌系統(tǒng)和分?jǐn)?shù)階LU混沌系統(tǒng)， 分?jǐn)?shù)階 Chen 混沌系統(tǒng)
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于多分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)的彩色圖像加密方法，其特征在于所述的步驟(3)中利用置亂矩陣對(duì)原始圖像A進(jìn)行置亂的具體步驟如下 s1.步驟(I)中的mX R個(gè)大小為X (N/n)的塊矩陣，分別表示為Iq」 —block (I: (M /m),l: (N/n),i) , I0_G_ bio ck(I: (M/m),l:，』Γ0—5__Woekp·: {M/m),l: (N/n),i) (i = 1,2,---,mxn)； s2.從各分量的第I塊開(kāi)始進(jìn)行置亂，首先將第I塊的各元素存放到一個(gè)一維數(shù)組中，即 TCinp — R(1 :(M/m) x (N/n)) - J0_i _block(I: (M/m),l: (N/n),I),Tcmp _ G(1 -.{Mint) x (N/n)) ^ I0JJ _ block (L: (M/m ),1: (N/n),I) ,Jemp_B(l:(M/m)x(N/n)) = I0_B_bloekQ.:(M/m),l:(N/n),l);然后,利用置亂矩WQr、fib和的第I行元素分別對(duì)Temp_R、Temp—G、Temp—B中的元素逐個(gè)進(jìn)tf ' 乩，L1|J Tcmp _ Rs(;) - Tcmp _ R^CI,；)) , Tcnip _ Gs(j) = Temp _ G(￡'g(1，j))
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于多分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)的彩色圖像加密方法，其特征在于所述的步驟(5)中使用的分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)為分?jǐn)?shù)階Qi混沌系統(tǒng)和分?jǐn)?shù)階Liu混沌系統(tǒng)，二者的分?jǐn)?shù)階次、系統(tǒng)參數(shù)和初始值均不相同，且與步驟(2)中的分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)的分?jǐn)?shù)階次、系統(tǒng)參數(shù)和初始值也各不相同；
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3或4所述的基于多分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)的彩色圖像加密方法，其特征在于所述的步驟(6)中改變置亂圖像J1各像素點(diǎn)財(cái)汲值的方法是將三基色分量矩陣I1-R謂、I1-G畫(huà)和I1-B麗中的元素分別與密鑰矩陣Afgm、h和中的元素逐個(gè)進(jìn)行異或運(yùn)算，即J2—mu) -11，I2—G(U) UD AgH=-其中ι = 0,1,2,--·，Μ -1 , j = 0,1,2,---,Ar-I。
6.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求I所述的加密方法得到的加密圖像的解密方法，其特征在于在需要解密時(shí)，只須按照與圖像加密過(guò)程相逆的順序進(jìn)行運(yùn)算即可恢復(fù)原始彩色圖像，即首先，利用第(5)步產(chǎn)生的密鑰矩陣恢復(fù)加密圖像I2各像素點(diǎn)的財(cái)汲值，恢復(fù)加密圖像像素值的操作與步驟(6)中所使用的方法相同，從而得到置亂圖像I1 ;然后，分離圖像七的汜仏沒(méi)三基色分量，并將各分量的長(zhǎng)和寬分別劃分為m等份和η等份，得到w χ η個(gè)大小為(M/m)x(N/n)的塊矩陣；最后，利用第(2)步產(chǎn)生的置亂矩陣對(duì)圖像J1逐塊進(jìn)行反置舌L反置亂操作與步驟(3)中所使用的方法相同，最終解密出原始彩色圖像Id。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于多分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)的彩色圖像加密和解密方法，其中，加密算法包括原始圖像置亂階段和置亂圖像加密階段首先，利用兩個(gè)不同的分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)生成三個(gè)置亂矩陣，并分別對(duì)原始彩色圖像I0的R、G、B三基色分量矩陣進(jìn)行置亂處理，得到置亂后的圖像I1；其次，利用另外兩個(gè)不同的分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)生成三個(gè)密鑰矩陣，并將密鑰矩陣中的元素與置亂圖像I1的像素逐個(gè)進(jìn)行異或運(yùn)算，以改變置亂圖像I1各像素點(diǎn)的數(shù)值，從而得到加密圖像I2；圖像解密則是加密的逆過(guò)程。本方法使用多個(gè)分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)，極大的增強(qiáng)了本發(fā)明的安全性，且該算法密鑰空間大，密鑰敏感度高，抗攻擊能力強(qiáng)。
文檔編號(hào)G06T1/00GK102982499SQ20121036664
公開(kāi)日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月28日
發(fā)明者武相軍, 宋亞林, 楊一平, 王慧, 馮東棟, 李陽(yáng) 申請(qǐng)人:河南大學(xué)