[发明专利]基于忆阻混沌系统、初等元胞自动机和压缩感知的图像加密方法

说明书

本发明属于图像加密领域，特别涉及一种基于忆阻混沌系统、初等元胞自动机和压缩感知的图像加密方法，包含：首先，图像经过离散小波变换，得到稀疏系数矩阵；然后采用zigzag置乱方法对稀疏系数矩阵进行置乱，再利用初等元胞自动机进行置乱操作；最后用忆阻混沌系统产生的测量矩阵对置乱后的图像进行压缩感知，得到最终的密文图像；其中，明文图像通过作用于SHA‑512函数来产生混沌系统的初始值、元胞自动机初始构型，增强算法与明文图像的相关性。本发明采用初等元胞自动机和压缩感知相结合的图像加密技术，利用初等元胞自动机对图像进行置乱，通过压缩感知在实现图像压缩的同时对图像进行加密，减少传输的数据量，并防止图像信息泄露，具有较高的安全性能。

技术领域

本发明涉及图像加密领域，特别涉及一种基于忆阻混沌系统、初等元胞自动机和压缩感知的图像加密方法。

背景技术

近年来，随着互联网时代的到来，我们生活中的绝大多数信息都离不开网络的支持，我们利用网络进行视频会议、发送一些机密信息等。图像作为信息的载体被广泛使用，而数字图像以其能够长期保存、便于传输等优点，在网络上的传输、处理也变得越来越频繁。但是，网络也存在安全隐患，尤其是图像在传输过程中面临着许多问题：图像信息被不法分子窃取、篡改，传输过程中受到噪声的影响等，这些因素使现代多媒体数据的安全性已成为当务之急。因此，为了使图像安全的在网络上传输，需要利用有效的加密技术处理图像，对图像信息进行保护。此外，需要传输的图像的数据量一般都比较大，信息冗余度高，为了减少网络传输的数据量，图像需要先经过压缩再进入信道传输。目前，采用压缩感知并结合其它加密方法对图像进行加密已经成为信息安全研究的一个热点，具有巨大的应用潜力以及较高的实用价值。压缩感知理论指出：通过开发信号的稀疏特性，在远小于Nyquist采样率的条件下，用随机采样获取信号的离散样本，然后通过非线性重建算法完美的重建信号。Candes和Donoho于2006年正式提出了压缩感知的概念，之后，许多基于压缩感知的加密算法也被提出。将压缩感知运用到图像加密处理中，在保证数据安全性的同时减少网络传输的数据量和存储空间，具有广阔的应用空间。

目前，混沌系统因其对初始条件和控制参数的高敏感性等特点，被广泛应用于图像加密处理中。混沌系统可以分为两类：一维和高维的混沌系统。其中，一维混沌系统的参数和变量较少，相空间轨迹简单，因此可以通过混沌信号估计技术来预测。相比之下，高维混沌系统的变量和参数相对较多，且具有更复杂的结构和更好的混沌性能。因此，高维混沌系统是图像加密的潜在理想模型。近年来，普通混沌系统得到了较为全面的发展，除了Chen系统、Lorenz系统等经典的混沌系统外，还有一些改进的、具有更优越非线性特性的系统。其中，闵富红等人通过分析一种基于双曲正弦函数的新型磁控忆阻器模型的电压和电流的相轨迹关系，发现其拥有典型的忆阻特性，故提出了一种新型忆阻混沌系统。该忆阻混沌系统具有更强的非周期性，对初始值敏感性强，密钥空间大，且在物理上可以实现，将其应用于图像加密，可以设计出一些安全的加密算法。元胞自动机(CA)是时间和空间都离散的动力系统，可以由简单的局部规则获得复杂的全局行为，基于这一特点，当前，元胞自动机广泛应用于各个领域。在元胞自动机的发展过程中，科学家们构造了各种各样的元胞自动机模型，各种CA模型在维数、可能状态的数量、邻域关系和状态更新规则方面不同。其中，初等元胞自动机(ECA)是最简单的一维元胞自动机，它的状态集S只有两个元素{s1,s2}，即状态个数k＝2，邻居半径r＝1。尽管它们构造简单，但可以导致复杂的行为并产生有用的操作。目前，Abdel Latif Abu Dalhoum等提出了分别使用初等元胞自动机和二维元胞自动机置乱的图像加密算法，达到了较好的置乱效果。但是所提出的算法密钥与明文相关性低，难以抵抗选择明文攻击，此外加密后的图像冗余的数据并没有减少。

发明内容

为克服现有技术中的不足，本发明提出一种基于忆阻混沌系统、初等元胞自动机和压缩感知的图像加密方法，在保证信息安全性的前提下，通过采用初等元胞自动机和压缩感知相结合的图像加密技术，利用初等元胞自动机进行置乱，通过压缩感知减少数据量的传输；使得密钥与明文密切相关，密钥空间较大，能够有效抵抗不同攻击，安全性高，信息安全得到进一步保障。