[发明专利]一种基于可逆仿生元胞自动机的图像加密方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于可逆仿生元胞自动机的图像加密方法，属于信息安全领域中的图像保密技术。

背景技术

图像是人类获取信息，表达信息和传递信息的重要手段。随着互联网和多媒体技术的迅猛发展，越来越多图像可以在网络上方便、快捷地发布和传输。一些涉及个人隐私、商业机密或国家秘密的图像就很容易被恶意攻击者轻易地浏览、窃取、窜改、非法复制与传播，若不对这些图像采取必要的安全保护措施，由此带来的严重后果是不可估量的。因而，图像加密作为图像安全保护的核心技术，其应用愈来愈广泛，其要求也愈来愈高。与文本信息不同，图像具有数据量大、冗余度高、相邻像素间相关性强等特点，一些传统的对称加密算法如DES、AES尽管具备良好的混淆和扩散特性，但在处理图像数据时显得效率不高、效果不理想，这些问题对图像加密提出了新的挑战，我们迫切需要研究和开发出更多适合图像自身特点的加密方法。

元胞自动机是一个时间、空间和状态都离散的动力学系统。它具有很多重要的特性，例如组成单元的简单性、信息处理的并行性以及全局演化的复杂性等，这些特点都非常适用于密码研究。如今，元胞自动机在密码学领域得到了广泛的应用，成为密码学研究中的热点。近年来，许多学者提出了基于元胞自动机的图像加密方法。吴颖芝等人构造一种T型可逆元胞自动机，并且利用其演化对图像进行分组加密；张水平等人提出一种基于元胞自动机分治策略的图像加密算法，其基本思想是先将明文图像分解为若干幅图像，在使用不同的元胞自动机规则分别对分解后的图像进行加密，最后把加密后的图像合并，得到加密图像；王福来等人提出一种基于误差快速扩散元胞自动机的加密技术，构造出一种新型一维元胞自动机，密钥采用了伪随机数序列生成方法，用密文直接产生流密码，利用元胞自动机演化规则进行加密；上述方法均基于一维元胞自动机，然而利用一维元胞自动机进行加密，元胞自动机规则空间较小，扩散程度较低，且仅仅局限在水平方向上，因此加密算法安全性不高。

针对一维元胞自动机加密技术的缺陷，有学者提出基于二维元胞自动机的加密技术。丁玮等人提出了一种基于生命游戏的图像加密方法，该方法可有效降低图像相邻像素的相关性，但存在以下问题：首先，只改变像素位置，没有进行扩散操作，这难以产生雪崩效应；其次，加密后的图像存在明显的纹理，加密效果不好；最后，由于该算法只有置乱操作，因此难以抵抗选择明文攻击；李敬医等人提出一种3D混沌映射和二阶可逆元胞自动机相结合的图像加密算法。该算法的优点是采用比特级别的混淆操作，能有效抵抗统计分析和差分分析，具有较高的安全性。但是，其缺点是置乱为像素级别，而混淆为比特级别，需要多次将图像的像素值转换为比特值，然后再次转换为像素值，这样降低了加密效率。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于可逆仿生元胞自动机的图像加密方法。

技术方案：一种基于可逆仿生元胞自动机的图像加密方法，包括如下步骤：

步骤1，提取明文图像的像素矩阵I_M×N，M是图像的高度，N是图像的宽度，均以像素计；

步骤2，将明文图像的像素矩阵I_M×N转换为二进制矩阵P_M×(w×N)，转换方法为：若明文图像为灰度图像，则令w＝8，将每个像素值转换为8位二进制，得到一个M行和8N列的二进制矩阵；若明文图像为彩色图像，则令w＝24，将每个像素值转换为24位二进制，得到一个M行和24N列的二进制矩阵；

步骤3，将二进制矩阵P_M×(w×N)按照左右划分为两个大小相同的矩阵P′_M×(w×N/2)和P″_M×(w×N/2)，矩阵P′_M×(w×N/2)和P″_M×(w×N/2)均有M行和w×N/2列；

步骤4，将二进制矩阵P′_M×(w×N/2)和P″_M×(w×N/2)分别作为仿生元胞自动机的两个初始状态C⁰和C¹，其中C⁰表示t＝0时刻仿生元胞自动机的状态，C¹表示t＝1时刻仿生元胞自动机的状态，然后选取一个仿生元胞自动机规则F作为密钥；