[发明专利]一种基于L-F级联混沌和3D比特置乱的图像加密方法

说明书

本发明公开了一种基于L‑F级联混沌和3D比特置乱的图像加密方法，所述图像加密主要分为两步：(1)3D比特置乱加密，(2)扩散运算。本发明构造了一个新型的L‑F级联混沌，在保证Logistic的快速性的同时克服其分布不均匀存在空白窗的问题，扩大了参数的混沌区间和个数，以增加密钥空间，提高系统抵御穷举攻击的能力。本发明采用3D循环移位的比特置乱方式提高了置乱后密文的随机性，克服了比特置乱序列不敏感问题。本发明将含有大量明文信息的高位和少量信息的低位分开置乱提高了系统抗噪声攻击能力。本发明加密系统用明文SHA‑256对混沌密钥进行强关联，有效提高了明文敏感性和抵御选择明文攻击能力。

技术领域

本发明涉及一种图像加密方法，具体涉及一种3维(3D)循环移位的比特置乱图像加密方法。

背景技术

图像信息具有直观生动形象的特性，在现代数字化时代被广泛运用，但易遭受黑客的各种攻击。因此，图像安全受到越来越多学者关注，如Chen G在2004年提出的像素位置置乱和像素值替换的加密方案，2010年Guodong Ye提出来比特置乱的思想，但以上两种方法抗攻击能力弱。近期有大量学者进行改进，如2014年邓晓衡等和2016年谢国波等在ChenG的基础上在像素位置置乱后加入比特置乱，2018年Shuliang Sun又在比特置乱后加入DNA编码。这类算法既保留了原方法的优点，通过比特置乱和DNA编码进一步改变像素值，更好掩盖明文统计特性，但一个像素点八位二进制之间的置乱对置乱环节不敏感。2018年Zhi-hua Gan et al运用3D的比特置乱，Xiupin Lv et al将全部二进制数按一定规则重新排列在一起，再进行置乱操作。用这样的方式换掉上面的位置置乱和八位二进制之间的置乱节约加密时间，克服了比特置乱环节对密钥流序列不敏感的问题。但是以上的改进方法将高低位的二进制一起置乱会导致高位的二进制数换到低位，从而导致抗击噪声攻击能力降低。

发明内容

针对现有的比特置乱加密方法对比特置乱不敏感，抗噪声和选择明文攻击能力弱的问题，本发明提供了一种基于L-F级联混沌和3D比特置乱的图像加密方法。本发明构造了一个新型的L-F级联混沌，在保证Logistic的快速性的同时克服其分布不均匀存在空白窗的问题，扩大了参数的混沌区间和个数，以增加密钥空间，提高系统抵御穷举攻击的能力。本发明采用3D循环移位的比特置乱方式提高了置乱后密文的随机性，克服了比特置乱不敏感问题，将含有大量明文信息的高位和少量信息的低位分开置乱提高了系统抗噪声攻击能力。通过实验对比了像素置乱和比特置乱的优缺点，根据不同加密需要选择合适的高位二进制页页数，已达到置乱后密文随机性和方法抗噪声的协调。本发明加密系统用明文SHA-256对混沌密钥进行强关联，有效提高了明文敏感性和抵御选择明文攻击能力。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于L-F级联混沌和3D比特置乱的图像加密方法，包括如下步骤：

步骤一、3D比特置乱加密

(1)先读取一个m×n的图像f并化为二进制，再将三通道的高位二进制页叠放在一起，三通道的低位二进制页依次叠放在高位页下面，若为彩色图，则构成一个m×n×24的3D矩阵，若为灰度图，则构成一个m×n×8的矩阵，其中：m、n为图片的行列数；

(2)运用L-F级联混沌产生用于置乱的随机序列，为了消除暂态效应预先迭代N_0,1次，迭代N_0,1次后，若为彩色图，则继续迭代26×(m+n)次，若为灰度图，则只需要10×(m+n)次，得到混沌序列T，将其转化为置乱可用的四个随机序列R1、R2、R3、R4；

(3)在每一页上分别按步骤(2)得到的随机序列R1、R2进行行列循环移位置乱；