[发明专利]一种明文构建初始密钥的复合混沌图像加密方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于明文图像而产生的初始密钥的复合混沌图像加密方法，属于通信电子技术与图像信号处理技术领域。

背景技术

随着物联网信息技术的迅速发展，网络传输变得方便与快捷，越来越多的信息和通讯在网络中传输。图像由于能够很直观清晰的体现传递信息的内容和含义，较好的传递意图与目的，因此被广泛的应用于信息传输。可是对于传输图像，由于其内在的特殊性(包含机密与隐私)，所以在传输中必须进行加密处理，以防止发生信息窃取、数据篡改。图像加密是图像处理的一个重要分支，近年来，越来越多的学者关注并研究混沌理论在图像加密中的应用。由于混沌系统其内在的伪随机性、不可预测性、非周期性、对初始条件的极度敏感型等特点，因此非常适合保密通信。

近几年来，国内外许多学术研究人员提出了一系列的新的混沌算法。例如邓玥，王广义，袁方利用Rossler系统的混沌序列和乱序映射，实现了二次像素加密和一次密钥映射加密，从而提出的混沌图像加密算法；张平，张定会，张雅奇根据复合混沌系统分别对图像进行加密，以提高密钥空间而提出的基于Henon映射和Rossler混沌映射加密算法。此两种加密方式都是通过混沌系统反复迭代并对对图像进行异或操作从而达到加密，同时也扩大了密钥空间，有效抵御强力攻击，所以加密效果较好。在专利方面，杜翠霞、张定会、张宗楠的专利——超混沌Rossler系统的彩色图像加密方法(专利公开号：CN103440613A)提供了一种利用超混沌系统进行加密的算法；柴秀丽、武相军等人专利——基于混沌序列和超混沌系统的彩色图像加密(专利公开号：CN103489151A)涉及一种对原始彩色图像进行位级联合置乱，再利用超混沌系统对其进行联合扩散，达到加密；张强、薛香莲、魏小鹏的专利——基于DNA序列与多混沌映射的图像融合加密方法(专利公开号：CN101706947A)提出一种利用Cubic映射和小波函数产生的二维混沌序列置乱编码原始图像和模板图像得到的两个DNA序列矩阵；然后对置乱后的两个DNA序列矩阵做加法运算；最后利用Logistic映射产生的混沌序列与由加法运算得到的DNA序列矩阵相作用来得到加密图像。

现有的大部分混沌加密系统基本都是基于超混沌系统或几个三维混沌系统相级联，虽然能够扩大其密钥空间，有效的抵御强力攻击，但是在保密性方面还是存在一定的缺陷。例如对于超混沌系统，加密时间周期太长，计算较复杂；复合混沌加密，虽然扩大了密钥空间，但是其加密算法对明文、密钥不极度敏感；同时，有些复合混沌系统之间在构建加密算法过程中并无内在的相关性，他们的复合仅仅是在数量上的应用，只能够起到扩大密钥空间的作用，所以无法抵御差分攻击。

发明内容

本发明的目的是使得图像加密的保密性得以提高且算法对明文极度敏感，从而能有效抵御差分攻击。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种明文构建初始密钥的复合混沌图像加密方法，其特征在于，步骤为：

步骤1、依据明文图像像素值和初始给定值实现图像预处理，确定迭代初始值，包括：

步骤1.1、取明文图像像素的任一水平、竖直及斜对角上的任意多数组成三个数列；

步骤1.2、将步骤1.1得到的三个数列中的数字分别相加，再与1000求模得到三个数值，分别记为R，C，H；

步骤1.3、任意取三个初始值，分别记为X₁₀，X₂₀，X₃₀，每个初始值的取值范围在[-1，1]之间，且精确到小数点后四位；步骤1.4、将X₁₀，X₂₀，X₃₀与R，C，H分别相加求和，再扩大1000倍，对255求模，再除以255，得到初始密钥，分别记为X₁₁，X₂₁，X₃₁；

步骤2、利用复合混沌系统分别对明文图像进行置乱与扩散，达到对明文图像加密的目的，包括：

步骤2.1、将初始密钥X₁₁，X₂₁，X₃₁代入Lorenz系统，迭代生成序列x，y，z；

步骤2.2、将大小为M×N的明文图像转换为灰度图像，得到灰度图像像素矩阵，将灰度图像像素矩阵转换为[M×N，1]形式的明文图像数字矩阵，再分别从序列x，y，z中选取数字，组成[M×N，1]形式的置乱数字矩阵；