[发明专利]一种基于分块置乱与状态转换的图像加密方法

说明书

本发明提出了一种基于分块置乱与状态转换的图像加密方法，其步骤为：利用密钥生成系统对图像矩阵进行处理生成初始迭代参数，输入四翼4D混沌系统进行迭代生成四个混沌序列；对混沌序列进行截取并降序排列得到行和列置乱向量生成置乱矩阵；使用扫描曲线对置乱矩阵进行置乱；利用置乱后矩阵对图像矩阵进行置乱得到像素置乱矩阵，将像素置乱矩阵进行DNA编码和混沌序列输入确定有限状态自动机得到状态转换序列；对状态转换序列进行DNA解码得到状态转换序列；利用混沌序列对状态转换序列E进行扩散得到加密图像。本发明的置乱方法能够有效的打破相邻像素的相关性，能够抵抗各种攻击，安全性高，确保图像的安全传输，非常适合图像加密。

技术领域

本发明涉及信息安全的技术领域，尤其涉及一种基于分块置乱与状态转换的图像加密方法。

背景技术

随着通信技术的发展，信息安全受到了人们广泛的重视。数字图像作为一种携带了大量信息的载体，防止其在进行网络传输过程中被窃取是一件极其重要的事情。使用图像加密技术在一定程度上能够提高数字图像在网路传输过程中的安全性。尽管文本加密技术已经具有足够的安全性，例如，以DES、AES和SM4算法为代表的方法得到了广泛的应用。但是数字图像存在数据量大，冗余度高，而且相邻像素之间的相关性强，因此文本加密技术不适用于对数字图像的加密。

混沌系统具有周期性、遍历性、伪随机性和对初始条件、参数的高度敏感性，自Fridrich提出置乱-扩散的加密架构以来，受到了越来越多的重视。基于混沌的加密算法安全性与混沌系统有很大的关系，例如基于Logistic映射的加密算法，需要的结构简单，计算复杂度低，在早期图像加密领域得到了广泛的应用。文献[Y.Luo,M.Du,J.Liu Asymmetrical image encryption scheme in wavelet and time domainCommun.Nonlinear Sci.,20(2)(2015),pp.447-460]提出了一种利用二维离散小波变换和混沌系统对像素进行自适应替换的图像加密方法，增强了加密图像的安全性，但是Logistic映射的加密结构往往较为简单，对于暴力攻击和统计分析攻击的抵抗性弱。Zhou提出了一种利用两个一维混沌系统组合新的混沌系统，然后使用该系统对图像进行加密。Patidar使用Logistic映射设计了一种像素替换扩散结构的无损对称的图像加密算法，但是一维混沌系统存在密钥空间小、混沌性差的根本缺陷。高维混沌系统特别是超混沌系统的变量和参数较多，动态特性更加的复杂，密钥空间更大。因此，使用超混沌系统对图像加密是一种更好的选择。文献[Z.Peng,C.Wang,Y.Lin,X.Luo A novel four-dimensionalmulti-wing hyper-chaotic attractor and its application in image encryptionActa Phys.Sin.,63(24)(2014),pp.97-106]提出了一种基于新型的多维多翼超混沌系统图像加密算法，该系统具有两个大于零的Lyapunov指数。2015年，关等对经典的洛伦兹系统进行改进，通过增加控制参数和改变非线性项，构造了一个具有相对较大的正Lyapunov指数和尺寸的洛伦兹混沌系统。尽管超混沌系统在图像加密中的效果比较好，但是仍然有一些不足之处。在文献[T.Gao,Z.Chen A new image encryption algorithm based onhyper-chaos Phys.Lett.A,372(4)(2008),pp.394-400]中，Gao和Chen提出了一种使用像素级置换的基于超混沌的图像加密算法，该算法具有密钥空间大的优点，但不能抵抗选择的明文和密文攻击。基于混沌的图像加密算法一般分为像素置乱和扩散两个步骤组成。图像置乱是将输入的明文图像中的像素的位置打乱，像素置换方法主要用扫描方式置乱和混沌序列对像素重新排列，这些置乱方法通过改变图像中像素的位置来加密图像。基于混沌序列的图像置乱方法应用最广泛，置乱的效果比较好。通过对混沌映射产生的伪随机序列进行排序，利用排序结果对图像像素进行置乱。但是对于大数据的排序往往需要耗费大量的时间，而且混沌系统可能出现混沌退化现象，单一的利用混沌系统对图像进行加密的算法并不可靠，因此往往采用混沌系统和其他方法组合的方式进行加密。