[发明专利]一种基于一维可逆记忆细胞自动机的数字图像置乱方法

说明书

本发明提供了一种基于一维可逆记忆细胞自动机的图像置乱方法。本发明方法将秘密图像分为n（n>=2）个部分并将每个部分扩展成比特流以作为一维可逆记忆细胞自动机的初始配置，通过细胞自动机的演化来打散相邻像素间的相关性，再将演化过后的n份配置组合成置乱图像，置乱图像看起来是完全随机的，能够抵抗统计分析的攻击。本发明利用了细胞自动机方法的混淆和扩散特性，不借助大量的伪随机数序列或二维伪随机数矩阵，解决了现有某些图像置乱方法无法实现比特级置乱、不能抵抗统计分析、需借助大量的伪随机数序列或二维伪随机数矩阵的问题，可以满足图像置乱的安全需求，是图像置乱的一种解决方法，能够显著提升置乱处理的效率和安全性。

技术领域

本发明属于信息安全领域中的图像保密技术，涉及图像置乱技术，具体涉及一种基于一维可逆记忆细胞自动机的图像置乱方法。

背景技术

数字图像置乱是指将图像做处理并得到视觉上随机和无意义的效果，消除图像信息的相关性，从而使得人类或计算机系统无法获得关于原始图像的任何信息。数字图像的置乱技术，可以看作数字图像加密的一种方式，其可以用于数字图像隐藏、数字图像秘密共享和数字水印图像植入的预处理和后处理过程。

常见的图像置乱方法有幻方变换、混沌排序方法、Arnold变换、Fibonacci-Q变换、Hilbert曲线、骑士巡游变换、基于细胞自动机的置乱方法等。其中，混沌排序的图像置乱方法是先利用混沌映射产生伪随机序列，然后对产生的伪随机序列进行排序得到置换地址集合，最后利用置换地址集合完成图像的置乱，该方法的不足之处是需要实值运算，所以效率不高。此外，现有基于细胞自动机的置乱方法分别有基于一维细胞自动机和基于二维细胞自动机的置乱方法，前者需要生成和使用伪随机数序列，后者需要生成和使用二维伪随机数矩阵。本发明不需要生成和使用大量的伪随机数序列(涉及随机数的部分也仅选择和发布(n-1)个随机数)，也不需要使用二维伪随机数矩阵，但仍能实现图像置乱的效果；

发明内容

本发明的目的是提供一种基于一维可逆记忆细胞自动机的图像置乱方法，与现有基于细胞自动机的置乱方法相比，本发明充分利用细胞自动机方法自身具备的混淆和扩散特性，不需要生成和使用大量的伪随机数序列，也不需要使用二维伪随机数矩阵，实现过程更加简洁；

其具体技术方案如下：一种基于一维可逆记忆细胞自动机的图像置乱方法，具体实施步骤如下：

步骤1.读取明文灰度图像的二维像素矩阵I_W×H，W是图像的宽度，H是图像的高度，均以像素计；将上述二维像素矩阵I_W×H转换为一维像素序列p₁,p₂,...,p_W×H，再分为n个部分，最后把每个部分扩展为一维比特序列

步骤2.根据明文灰度图像的宽度W和高度H、计划分割的图像块数量n确定每个初始配置中的细胞总数N为再确定邻居半径r的值，r的取值范围为

步骤3.选择和发布(n-1)个随机数ω₁,ω₂,...,ω_n-1，其中1≤ω_j≤2^2r+1-1，1≤j≤n-1，这些随机数由一个安全的伪随机数生成器所产生；

步骤4.根据步骤2和步骤3中的参数构造n阶一维可逆记忆细胞自动机，演化规则如下：

其中0≤i≤N-1，是规则数为ω_j的局部转换函数，且1≤j≤n-1，T表示某一时刻。

步骤5.将这n份比特流作为一维可逆记忆细胞自动机的初始配置；

步骤6.根据步骤4中的演化规则来演化一维可逆记忆细胞自动机，至少演化n步，得到新的n份配置；