[发明专利]一种基于混沌轨道扰动的数字图像加密方法

说明书

技术领域

本发明涉及加密系统，用于数据与信息保护，特别涉及一种基于混沌轨道扰动的数字图 像加密方法。

背景技术

随着多媒体与网络技术的飞速发展，越来越多的图像在以Internet，无线网络等为代表 的开放性网络中传播，极大的方便了信息的访问与共享，然而由于数字图像信息易于拷贝和 发布，在商业、军事、医疗、科研等领域的众多敏感信息易于被截获和破解，其传播存在很 大的安全隐患，与文字信息相比，数字图像具有容量大，冗余度高等特点，传统的分组加密 方法，如数据加密标准(DES，Data Encryption Standard)，国际数据加密算法(IDEA， International Data Encryption Algorithm)，高级加密标准(AES，Advanced Encryption  Standard)等，并不适合于图像加密，尤其在加密速度方面，不能满足日益增长的实时网络传 输的需求。

自上世纪90年代以来，很多学者发现混沌学与密码学存在紧密的联系，混沌动力系统的 许多基本特性，例如初值与系统参数极端敏感性、遍历性、伪随机性等，可很好的满足现代 密码学构建高安全性加密系统的要求，混沌流密码提供了安全性与加密效率的一个良好的平 衡，既具有很高的安全性保证，又具有极高的加密速度，非常适合数字图像的实时、安全网 络传输，近十年来，混沌加密技术得到了广泛研究，并取得一定成果，现有混沌图像加密方 法的通用体系结构如图1所示，加密系统由两个迭代模块组成，分别实现消除相邻像素间的 强相关性和改变图像的统计特性：在置乱阶段，图像中每个像素点的位置以被打乱，而保持 像素值不变；在扩散阶段，每一点的像素值按从上至下、从左至右的顺序被改变；用于扩散 的密钥流基于混沌映射量化产生，像素值的改变通过异或运算实现；加密系统的密钥为控制 置乱-扩散过程的混沌映射的初始参数与初始值，为了达到充分消除相邻像素间的相关性的目 的，置乱过程共迭代m轮(m≥1)，整体置乱-扩散操作可根据安全性需求执行n轮(n≥1)， 然而，在现有成果中，用于扩散的密钥流仅与密钥相关，即如果密钥不加以更改，相同的密 钥流将用于加密不同的明文图像，因此，攻击者可采用已知明文攻击或选择明文攻击手段来 破译加密系统，例如，攻击者可构造一幅由特殊像素值构成的明文图像，应用加密系统对该 图像进行加密，通过将明文图像与密文图像相比较，可得到使用的密钥流。

发明内容

为克服现有方法存在的不足，本发明提供一种基于混沌轨道扰动的数字图像加密方法， 在扩散过程中引入与明文相关的混沌轨道扰动机制，根据密文像素值扰动混沌系统的控制参 数，达到提升扩散效果、提高加密系统安全性的目的。

本发明的技术方案是这样实现的：一种基于混沌轨道扰动的数字图像加密方法，包括以 下步骤：

步骤1：采用基于广义离散Baker映射的方法对明文图像进行置乱处理，改变图像中每 一像素点的位置，具体方法为：

步骤1-1：设待加密明文图像的大小为N×N，由加密者设置置乱密钥n_i，其中，N表 示图像在水平或垂直方向的像素个数，i＝0，1，…，k-1，n_i可整除N且n₀+n₁+…+n_k-1＝N；

步骤1-2：按步骤1-1设置的置乱密钥，将明文图像垂直分割为k个高度为N、宽度为n_i(i＝0，1，…，k-1)的矩形条带；采用基于广义离散Baker映射的方法将这些垂直条带在水平 方向拉伸，在垂直方向压缩，得到k个高度为n_i、宽度为N的水平条带；最后依次将所有经 变换得到的水平条带自下而上堆叠在一起，公式如下：