[发明专利]一种新的基于超混沌的置乱与明文像素动态相关的图像加密方法

说明书

本发明公开了一种新的基于超混沌的置乱与明文像素动态相关的图像加密方法，是属于图像加密技术领域，包括以下步骤：图像加密算法、密钥生成、像素动态相关的置乱过程、扩散过程、解密过程、仿真结果和攻击测试，其有益效果在于：设计了一个非线性交叉耦合的超混沌映射，该映射具有更宽的超混沌区间、不存在周期窗口、更加复杂的动力学行为，产生的状态序列类随机性较好的特点，只用一个与明文像素个数相同的混沌状态序列，实现了与明文像素相关的混沌状态序列的位置动态变换，增强了抵抗已知明文攻击和选择明文攻击的能力，使用与置乱阶段相同的混沌序列，提高了混沌状态映射的使用率，算法只需要一轮的置乱和扩散操作，降低了算法的计算复杂度。

技术领域

本发明属于图像加密技术领域，具体涉及一种新的基于超混沌的置乱与明文像素动态相关的图像加密方法。

背景技术

目前，许多基于混沌的加密算法被密码分析工作者证明在受到攻击时是不安全的，容易被破解[36,117-123]，究其原因，这些加密算法大多存在着对明文变化不太敏感、密钥设计偏弱等缺点，最重要的是在置乱和扩散过程中使用的密钥流完全依赖于密钥，也就是说，尽管这些算法在形成密钥时跟明文进行了一定的关联，但是只要密钥不改变，那么由密钥产生的密钥流在置乱和扩散阶段就不会发生变化，那么当用同一个密钥加密不同的明文图像时其密钥流是不安全的，因为攻击者可以选择绕开直接攻击密钥，而是通过已知明文攻击 [118-121]和选择明文攻击[118-119,121-123]来获取密钥流，从而达到破解的目的，因此，为了增加加密算法的安全性，密钥流应尽量与明文相关，文献[114]首先通过Logistic映射迭代M次，从而产生另外三个混沌映射的参数和初始值，其中M与明文图像的第一个像素值有关，实现与明文图像相关，通常，基于混沌的图像加密算法都是利用混沌系统产生的多个混沌状态序列，部分序列用于将图像的像素比特位、像素或图像块的顺序打乱，然后在置乱阶段用另外的混沌状态序列用来混淆相应比特位或像素的值，这些算法的一个缺点就是混沌状态序列的产生是非常耗费计算资源的，在置乱和扩散阶段没有对这些序列充分利用，因而，Chen等[124]提出了一个新颖的具有动态状态变量选择机制的混沌图像加密算法，该算法在置乱和扩散阶段使用了同一组混沌状态序列，克服了前述算法在抵抗已知明文攻击和选择明文攻击时的缺点，但是，在该文献中，需要产生三个混沌状态序列通过与明文像素相关进行置乱操作，实际中要使用的每一个混沌状态序列的长度与明文图像是相关的，长度不确定，因而在产生混沌序列的时候，必须比实际的像素个数要多，从而会造成计算资源的浪费，而且，尽管该置乱操作具有扩散效果，但是如果攻击者从最后一个明文像素开始攻击，则加密算法丧失了其扩散效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对目前基于混沌的图像加密算法存在的所采用的混沌系统的动力学行为不够复杂，混沌区间较窄，甚至存在周期窗口，从而导致密钥空间较小；在置乱和扩散阶段使用混沌状态序列作为密钥流，仅仅依赖于密钥，因而导致密钥流不能抵抗已知明文攻击和选择明文攻击；在置乱和扩散阶段，通常采用不同的混沌状态序列，使其利用率不高，增大了算法的计算复杂度和存储空间等缺陷进行改善，从而提出一种新的基于超混沌的置乱与明文像素动态相关的图像加密方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种新的基于超混沌的置乱与明文像素动态相关的图像加密方法，包括以下步骤：

S1、图像加密算法：首先，产生用于置乱的混沌序列，按照大小顺序对其进行排序形成对图像像素进行置乱的排序序列；然后，将图像转化成具有M*N个元素的一维序列；最后，根据前一个像素值，决定当前像素的位置序号；

S2、密钥生成：在产生密钥的过程中，使用了hash算法SHA256，产生的密钥为动态密钥，密钥K的长度为256比特,并且高度与明文相关,基于密钥K，设计中间变量，产生FL-NCHM的初始值，生成初始条件后，将其带入FL-NCHM就可以得到置乱与扩散过程所需的混沌序列；