一種面向比特的基于仿生元胞自動機的圖像置亂方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及信息安全領(lǐng)域中的圖像保密技術(shù)，特別是一種面向比特的基于仿生元 胞自動機的圖像置亂方法。
【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，從而使人類或計算機系 統(tǒng)無法理解原始圖像所表達的真實含義。數(shù)字圖像的置亂技術(shù)，可以看作數(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。然而，上述這些圖像置亂方法通常都是以像素為單位， 僅改變像素的位置，不改變像素值，從而置亂過后的圖像直方圖與明文圖像直方圖相同，難 以統(tǒng)計分析和選擇明文攻擊，安全性較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種面向比特的基于仿生元 胞自動機的圖像置亂方法，與面向像素的圖像置亂方法相比，由于本發(fā)明方法中最小操作 單位是比特，使得像素位置改變的同時，像素值也隨著改變，圖像的直方圖也發(fā)生了變化， 本發(fā)明提出的方法不僅置亂效果好，而且安全性更高。
[0005] 技術(shù)方案：一種面向比特的基于仿生元胞自動機的圖像置亂方法，包括以下步 驟：
[0006] 步驟1，提取明文圖像的像素矩陣IMXN，M是圖像的高度，N是圖像的寬度，均以像 素計；
[0007] 步驟2,將明文圖像的像素矩陣Imxn轉(zhuǎn)換為二進制矩陣PMXUXN)，轉(zhuǎn)換方法為：若明 文圖像為灰度圖像，則w = 8,將每個像素值轉(zhuǎn)換為8位二進制，得到一個M行和8N列的二 進制矩陣；若明文圖像為彩色圖像，則w = 24,將每個像素值轉(zhuǎn)換為24位二進制，得到一個 M行和24N列的二進制矩陣；另外，定義一個存放置亂圖像的二進制矩陣為Cmx(wXN);
[0008] 步驟3,由偽隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生一個有M行和wXN列的隨機二進制矩陣RmxUxn);
[0009] 步驟4,令仿生元胞自動機水平方向元胞的數(shù)量為wXN，仿生元胞自動機垂直方 向元胞的數(shù)量為M，設(shè)定一個大小為MX (wXN)個元胞的仿生元胞自動機；
[0010] 步驟5,設(shè)定仿生元胞自動機的迭代規(guī)則，令仿生元胞自動機t = 0時刻所有元胞 的狀態(tài)為4 ? ?表示異或運算，仿生元胞自動機在迭代規(guī)則的作用下 迭代K次，產(chǎn)生K個二進制矩陣，分別為A1, A2，…，Ak;
[0011] 步驟6,令（i，j)表示二進制矩陣中元素的位置，Aji，j)表示二進制矩陣A。中第 i行第j列的元素。按照從左往右，從上往下的掃描線順序，若Aji，j) = 1，則將二進制矩 陣PM>^XN)中第i行第j列的元素按掃描線順序一個接一個地排列在置亂圖像的二進制矩 陣 Cmx (；wxw 中；
[0012] 步驟7，令心（1，j)表示二進制矩陣心中第i行第j列的元素。對于I = 1，2，...K 的情況，按照從左往右，從上往下的掃描線順序，若A1 (i，j) = 1，則將二進制矩陣PMXUXN)中 之前未被處理過的第i行第j列的元素按掃描線順序一個接一個地排列在置亂圖像的二進 制矩陣CMX(wXN)中；
[0013] 步驟8,將二進制矩陣PmxUXN)中所有未被處理過的元素，按掃描線順序一個接一 個地排列在置亂圖像的二進制矩陣C MX(wXN)中，這些未被處理過的元素均滿足條件A i (i，j) =0, I = 0, 1，2,…K ;
[0014] 至此一輪置亂結(jié)束，置亂圖像的二進制矩陣CMX(wXN)轉(zhuǎn)換為像素矩陣得到置亂后 的圖像記為P ;
[0015] 作為本發(fā)明所述的一種面向比特的基于仿生元胞自動機的圖像置亂方法進一步 優(yōu)化方案，所述步驟2中該仿生元胞自動機每個元胞具有活和死兩個狀態(tài)，分別用1和0表 示，每個元胞與其上下左右以及對角線上的元胞組成一個3X3的Moore鄰域；對仿生元胞 自動機邊界上的元胞進行周期型邊界處理：第0行元胞的狀態(tài)值等于第M行元胞的狀態(tài)值， 第M+1行元胞的狀態(tài)值等于第1行元胞的狀態(tài)值，第0列元胞的狀態(tài)值等于第wXN列元胞 的狀態(tài)值，第wXN+Ι列元胞的狀態(tài)值等于第1列元胞的狀態(tài)值。
[0016] 作為本發(fā)明所述的一種面向比特的基于仿生元胞自動機的圖像置亂方法進一步 優(yōu)化方案，所述步驟5中的迭代規(guī)則為B3/S1234。
[0017] 作為本發(fā)明所述的一種面向比特的基于仿生元胞自動機的圖像置亂方法進一步 優(yōu)化方案，所述迭代規(guī)則具體如下：若一個狀態(tài)為〇的元胞，當(dāng)它的Moore鄰域中有3個元 胞的狀態(tài)為1，那么在下一時刻，該元胞的狀態(tài)為1 ;若一個狀態(tài)為1的元胞，當(dāng)它的Moore 鄰域中有1個或2個或3個或4個元胞的狀態(tài)為1，那么在下一時刻，該元胞的狀態(tài)仍為1 ; 否則，不論該元胞的當(dāng)前狀態(tài)為0或1，下一時刻均為0。
[0018] 作為本發(fā)明所述的一種面向比特的基于仿生元胞自動機的圖像置亂方法進一步 優(yōu)化方案，可進行第二輪置亂，在第二輪置亂過程中，將第一輪置亂得到的置亂圖像的二進 制矩陣C MX(wXN)作為明文圖像的二進制矩陣PMX(wXN)，重復(fù)步驟3至步驟8,最后將置亂圖像 的二進制矩陣轉(zhuǎn)換為像素矩陣得到兩輪置亂后的圖像記為P";
[0019] 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：
[0020] 本發(fā)明與面向像素的圖像置亂方法相比，采用面向比特的圖像置亂方法，能同時 改變圖像中像素位置和像素值，具有良好的置亂效果，而且能夠抵抗選擇明文攻擊。
【附圖說明】
[0021 ] 圖1是實施例1中的明文圖像；
[0022] 圖2是實施例1中兩輪置亂后的置亂圖像；
[0023] 圖3是實施例1中明文圖像的直方圖；
[0024] 圖4是實施例1中置亂圖像的直方圖。
【具體實施方式】
[0025] 下面結(jié)合具體實施例，進一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實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 形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0026] 本發(fā)明設(shè)計一種面向比特的基于仿生元胞自動機的圖像置亂方法，本發(fā)明中采用 面向比特的圖像置亂方法，能同時改變圖像中像素位置和像素值，具有良好的置亂效果，而 且能夠抵抗選擇明文攻擊。
[0027] 本發(fā)明的實施例采用Mathematica 8軟件進行仿真，下面給出本發(fā)明的一個實施 例：
[0028] 明文圖像選用大小為256X256的灰度圖像，灰度圖像的每一個像素由8比特組 成，如圖1所示。
[0029] 實施例的圖像置亂的具體實施步驟如下：
[0030] 步驟1 :提取明文圖像的像素矩陣I256x256，圖像的高度為256個像素，圖像的寬度 為256個像素；
[0031] 步驟2,將明文圖像的像素矩陣I256x256轉(zhuǎn)換為二進制矩陣P 256X2_;另外，定義一個 存放置亂圖像的二進制矩陣為C256X2_;
[0032] 步驟3,由偽隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生一個有256行和2048列的隨機二進制矩陣 1^256X2048;
[0033] 步驟4,令仿生元胞自動機水平方向元胞的數(shù)量為2048,仿生元胞自動機垂直方 向元胞的數(shù)量為256,設(shè)定一個大小為256 X 2048個元胞的仿生元胞自動機；該仿生元胞自 動機的每個元胞具有活和死兩個狀態(tài)，分別用1和〇表示，每個元胞與其上下左右以及對 角線上的元胞組成一個3X3的Moore鄰域，由于仿生元胞自動機邊界上的元胞沒有完整的 Moore鄰域，因此需要進行合理的邊界處理，在這里我們做如下周期型邊界處理：第0行元 胞的狀態(tài)值等于第256行元胞的狀態(tài)值，第257行元胞的狀態(tài)值等于第1行元胞的狀態(tài)值， 第〇列元胞的狀態(tài)值等于第2048列元胞的狀態(tài)值，第2049列元胞的狀態(tài)值等于第1列元 胞的狀態(tài)值；
[0034] 步驟5,設(shè)定仿生元胞自動機的迭代規(guī)則為B3/S1234,規(guī)則描述如下：若一個狀態(tài) 為〇的元胞，當(dāng)它的Moore鄰域中有3個元胞的狀態(tài)為1，那么在下一時刻，該元胞的狀態(tài)為 1 ;若一個狀態(tài)為1的元胞，當(dāng)它的Moore鄰域中有1個或2個或3個或4個元胞的狀態(tài)為 1，那么在下一時刻，該元胞的狀態(tài)仍為1 ;否則，不論該元胞的當(dāng)前狀態(tài)為0或1，下一時刻