[发明专利]基于GT变换和混沌的单通道彩色图像加密方法

说明书

技术领域

本发明属于虚拟光学信息加密方法技术领域，涉及一种基于GT（回转）变换和混沌的单通道彩色图像加密方法。

背景技术

近年来，光学加密技术在信息安全中扮演着越来越重要的作用。自Refregier和Javidi提出基于双随机相位加密以来，研究者提出各种图像加密技术，例如，分数傅里叶变换和扩展的分数傅里叶变换，相位恢复过程和随机像素置乱操作。这些方法的主要缺点是使用单束光照射输入图片，使得解密图像的彩色信息丢失。因此彩色图像加密已经成为一个严峻的问题，成为光学应用的难题。

Karim等提出基于索引图像和双随机掩码的彩色图像加密方法。赵道木等使用波分复用和无透镜菲涅尔变换全息图加密彩色图像，也有学者提出基于gyrator变换使用两步相移干涉和Arnold变换的图像加密算法。赵道木和陈林峰不仅提出了基于波分复用和无透镜菲涅尔变换全息图的彩色图像加密算法，还提出了基于分数傅里叶变换和数字全息的彩色信息加密和合成算法。Joshi等提出基于分数傅里叶变换和自然对数的非线性彩色图像加密方案。陈文等提出基于Arnold变换和干涉技术的彩色图像加密算法。刘正军等提出离散余弦变换域基于Arnold变换和颜色混合操作的彩色图像加密方法，该方法用Arnold变换置乱彩色图像三个通道的像素位置，用离散余弦变换改变像素值。Muhammad在GT域不仅提出基于离散余弦变换和径向希尔伯特相位掩码的彩色信息加密方法，还提出基于Arnold变换的彩色信息加密方法。Hwang提出菲涅尔变换域基于改进Gerchberg–Saxton算法的图像加密算法。

然而，上述算法都属于多通道加密，即将彩色图像的红绿蓝三个通道单独加密、解密，这样会使这些加密系统的复杂度提高。为了克服此问题，研究者已经提出了各种基于单通道技术的彩色图像加密方案。刘红军和王兴元提出的加密方案中，先将M×N像素的彩色图像转换成M×3N的灰度图像，然后使用分段混沌映射产生的序列对该灰度图像实施位水平置乱，接下来将置乱后的图像分解成三部分，对该三部分分别使用Chen系统实现混淆、扩散。

陈文提出基于彩色图像的索引图像的光学非对称加密系统，在该系统中用到了菲涅尔域的相位截断策略。周南润等提出了基于混沌映射和分数傅里叶变换的彩色图像加密方案，在该方案中，彩色图像先加密或解密成色相饱和磁化强度。此外，周南润等提出了基于实时存储的分数梅林变换非线性彩色图像加密算法，该算法中，密文是实时的，易于显示、传输、存储。邓晓鹏和赵道木提出了一个单通道非对称加密系统将一幅彩色图像加密成一个实值灰度密文，这样使得解密过程相当简单。上述算法都是基于单通道技术的彩色图像加密，虽然他们在一定程度上简化了加密过程，但依然存在密钥空间小、安全性低等问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于GT变换和混沌的单通道彩色图像加密方法，解决现有技术存在的密钥空间小、安全性低的问题。

本发明所采用的技术方案是，基于GT变换和混沌的单通道彩色图像加密方法，包含两层加密框架；第一层加密框架中，首先，对彩色图像实施归一化操作并将归一化后的图像分解为红色（R）、绿色（G）和蓝色（B）三个分量图像；然后，对三个分量图像分别实施Arnold变换进行像素置乱；最后，使用Logistic混沌映射、tent混沌映射、旋转角度为α的Gyrator变换，将置乱后的三个分量图像组合为三通道结构相关的数据信息；在第二层加密框架中，首先，对该三通道结构相关的数据信息执行Arnold变换；然后，对Arnold变换的结果实施相位调制；最后，对相位调制的结果实施Gyrator变换，完成整个加密流程，得到最终的灰度图像信息。

本发明的特点还在于：

第一层加密框架具体包括：

第一步：对原始彩色图像执行归一化操作，并将其分解为R、G、B三个分量图像，分别表示为r(x,y)、g(x,y)和b(x,y)，每幅分量图像中像素最大值为1；

第二步：对分量图像r(x,y)、g(x,y)和b(x,y)分别实施迭代次数为n₃、n₂及n₁的Arnold变换，置乱后的噪声图像分别表示为A_n3(r(x,y))、A_n2(g(x,y))和A_n1(b(x,y))；