[发明专利]一种基于超混沌Chen系统的多图加密方法

说明书

本发明涉及一种基于超混沌Chen系统的多图加密方法。该方法是针对现存混沌图像加密算法中，存在系统安全性不高、无法抵御明文攻击、加密图像相互独立、效率低等问题。首先根据明文图像，由超混沌系统产生与之相关的混沌随机矩阵，对明文图像进行明文无关的深度扩散；选取其中一幅图像进行明文关联的置乱操作与明文无关的快速比特扩散生成首幅密文；之后对剩余图像进行自适应关联比特操作生成剩余密文，完成多图关联的图像加密。实验仿真结果表明，该算法不仅具有更高的效率，更强的抗明文攻击能力，而且仅由一幅密文不能得到与之相应的明文图像，安全性更高，具有良好的应用场景。

技术领域

本发明涉及图像加密领域，具体为一种基于超混沌Chen系统的多图加密方法。

背景技术

随着网络与多媒体技术的快速发展与大规模应用，人们传达信息的方式也越来越依赖于数字多媒体。数字图像因其具有生动形象、信息丰富、易于理解的先天优势而被人们大规模的应用。例如，我们生活中的手机拍照、网上交易的电子快照以及医疗检查的影像图片等重要信息都与我们息息相关；卫星图像等军事化数字快照更是关系到国家的信息安全，这些图像数据迫切需要找到一种能够进行安全高效地传输和存储的方式，对数字图像进行加密是保证隐私安全的有效方式之一。由于密码分析理论的不断突破以及计算机运算能力的飞速提升，许多传统的密码学加密算法已经遭到了破解，其安全性不能得到有效保障。除此之外，数字图像本身数据量大、相邻元素之间强的相关性等特点，导致传统的对称和非对称加密算法也不能适用于数字图像的加密。

混沌系统由于具有良好的伪随机特性、对初值极度敏感、无限大的周期等特性，这与密码学中的基本要求相一致，产生的混沌序列在适当处理后非常适合图像数据的加密。因此，基于混沌理论的图像加密算法被不断提出。美国学者Fridrich率先提出了一种具有开创性的置乱-扩散加密体系结构，此后基于混沌的图像加密方案大多都采用这种加密架构。低维混沌系统因其具有结构简单、易于实现的特点，被广泛地应用于混沌图像加密中，但低维混沌系统动力学特性简单且密钥空间小，无法抵御相空间重构，很容易被破译，安全性不高。例如，公告号为CN106530307A的中国实用新型专利，公开了一种“基于Logistic混沌映射的数字图像加密方法”，其通过Logistic混沌映射产生混沌序列，根据序列对其进行比特级置乱，所采用的映射方式简单，只有一个初始变量作为密钥，因此存在着密钥空间小且一次迭代只能产生一组混沌序列的问题。另外对于现存多图加密方案来说，密文图像没有关联性，只是对单图加密算法的简单扩展，重复利用一种算法进行加密，多图密文安全性与效率低。

发明人在研究过程中，通过利用超混沌Chen系统进行多图关联加密，不仅克服了以往算法密钥空间小、系统安全性不高、不能抵御明文攻击的缺陷以及算法复杂效率低的问题，而且密文图像之间具有很强的关联性，仅通过其中一幅密文图像不能获取相应的明文图像，安全性更高。

发明内容

针对现存混沌图像加密算法中，存在系统安全性不高、无法抵御明文攻击、加密图像相互独立、效率低等问题，提出了一种基于超混沌Chen系统的多图加密方法。首先根据明文图像，由超混沌系统产生与之相关的混沌随机矩阵，对明文图像进行深度扩散；选取其中一幅图像进行明文关联的置乱操作与快速比特扩散生成首幅密文；之后对剩余图像进行自适应关联比特操作生成剩余密文，完成多图关联的图像加密。主要步骤如下：

步骤101：对加密过程进行预处理，产生明文相关的秘钥，消除系统暂态所需的预迭代数值和基于超混沌Chen系统的数学模型设计的混沌密码发生器，得到四个与明文图像大小相同的混沌随机序列X，Y，Z，W。

步骤102：利用伪随机矩阵X对明文图像进行明文无关的深度扩散。从明文图像的第一个像素点开始一次向后扩散，第一个像素点的运算与密钥有关，之后的每个像素点的运算都与已完成的其它像素点相关。经过全部扩散后，将明文P转化为矩阵A。