[发明专利]基于超混沌系统的密钥动态选取的图像加密方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种图像加密方法，特别是涉及一种基于超混沌系统的密钥动态选取的图像加密方法。

背景技术

当今，伴随着智能设备、物联网、高清多媒体以及网络技术的飞速发展，我们生活中的绝大多数信息，如文档、音频、视频，特别是图像信息的传输更是离不开网络的支持。网络一方面给人们的生活带来了便捷，但另一方面，一些不法分子会利用网络来窃取信息，这就给人们的信息安全带来很大隐患，所以信息在网络传输过程中的安全和保密问题也越来越受到人们的关注和重视。通常来说图像信息都有相同的特点，它们都存在着数据量大、相邻像素相关性强、冗余度高等特点。过去常用的加密方法，是以一维数据流为设计目标的，像DES、3-DES、AES和RSA等，主要用于文本信息的加密，没有考虑到数字图像的特点，所以加密的效果令人很不满意。混沌系统是一种非线性系统，能够表现出复杂的伪随机性，具有非常好的混淆规则。它对初始条件和控制参数极其敏感，任何微小的初始偏差都会被指数式放大，符合扩散规则。与此同时，它又可以通过非线性系统方程、参数和初始条件来确定。正因为混沌系统具有随机性、确定性、遍历性和对初值的高度敏感性等特点，我们可以设计出密钥空间大、加密流随机性强的加密算法，使它特别适合于图像的加密。目前，采用混沌系统对图像进行加密已经成为了信息安全研究的一个热点，具有巨大的应用潜力。

美国学者Fridrich于1998年提出了经典的图像加密模式，它包括两个阶段，置乱阶段和扩散阶段。在置乱阶段，通常只是对图像中的每个像素位置做处理，通过改变每个像素的位置来破坏图像中原有的空间有序性和局部相关性，使得图像达到杂乱无章、无法识别并呈现一种类似噪声的目的。在扩散阶段，一般是对图像中的像素值做处理，通过混沌系统产生的伪随机序列来对明文像素进行掩盖，以达到窃密者无法辨认的目的，从而实现图像的加密。但是必须指出的是，这两个阶段必须是一个可逆的过程，既然能对图像进行加密，那么也必定能够对图像进行解密。绝大多数图像加密方法都是依照先置乱后扩散这样一个思路，最终达到了良好的加密效果。但是目前所采用的图像加密方法存在以下几个问题：第一，在置乱阶段，绝大多数加密算法缺乏与明文的联系，虽然部分加密算法考虑了与明文的联系，但是当其中某个像素发生改变时，其置乱的效果依旧不能扩散至整幅图像，置乱的效果仅影响像素发生改变的后面像素，这样窃密者可以通过简单的比对就可以发现其中的置乱规律，这使得图像的安全性存在巨大的漏洞；第二，数字图像都是由一个一个像素组成的离散有限点集，在置乱变换多次后会回到原来的状态，因此只要窃密者知道了加密的算法，就可以对其进行暴力解密，通过多次迭代，就会在有限步内得到明文图像；第三，无论是在置乱阶段还是在扩散阶段，对于不同的图像，只要初始值和控制参数一样，加密用到的密钥也就一样，其密钥不能根据明文像素的不同做到动态选取，并且在置乱和扩散阶段都必须有对应的混沌系统产生密钥，这不但加大了系统的开销，而且降低了图像加密方法的安全性；第四，以往一般都采用低维混沌系统对图像进行加密，低维混沌系统产生的混沌序列只是经过简单的反复迭代形成的，安全性不够好，并且计算机的计算精度也可能导致低维混沌系统的混沌序列周期性比较短，随机性也较差，这都对图像的破解提供了突破口。专利申请号为201310412691.1的中国专利公开了一种基于混沌序列和超混沌系统的彩色图像加密方法，该方法在图像加密的置乱阶段使用一维混沌系统产生的混沌序列对图像像素进行置乱，置乱过程缺乏与明文的联系，扩散阶段利用超混沌系统来产生扩散所用的密钥，加大了系统的开销，增加了硬件的复杂性，其安全性有待提高。

发明内容

为克服以上现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种基于超混沌系统的密钥动态选取的图像加密方法，使其针对不同的明文，其加密密钥也能做到动态选取，并且与以往的置乱方法相比，其像素的置乱位置也会随明文像素的不同而发生改变，一些已经存在的置乱方法虽然与明文也存在联系，但是当图像中某个像素发生改变时，其置乱的效果依旧不能扩散至整幅图像，置乱的效果仅影响像素发生改变的后面像素，而本文通过对图像的反向置乱和反向扩散操作，使得置乱的效果能够扩散至整幅图像，最终使得加密的效果、安全性和抗攻击能力更强，并且更易于硬件实现。

本发明的技术方案是：

一种基于超混沌系统的密钥动态选取的图像加密方法，包括以下步骤：

步骤1.输入图像大小为M×N的灰度图像，并将灰度图像像素按照从左到右，从上到下的顺序排列成一维图像数组P；