[发明专利]一种基于元胞自动机的图像加密和解密方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种基于元胞自动机的图像加密和解密方法，属于信息安全领域中的图像保密技术。

背景技术：

图像是人类获取信息，表达信息和传递信息的重要手段。随着互联网和多媒体技术的迅猛发展，越来越多图像可以在网络上方便、快捷地发布和传输。一些涉及个人隐私、商业机密或国家秘密的图像就很容易被恶意攻击者轻易地浏览、窃取、窜改、非法复制与传播，若不对这些图像采取必要的安全保护措施，由此带来的严重后果是不可估量的。因而，图像加密作为图像安全保护的核心技术，其应用愈来愈广泛，其要求也愈来愈高。与文本信息不同，图像具有数据量大、冗余度高、相邻像素间相关性强等特点，一些传统的对称加密算法如DES、AES尽管具备良好的混淆和扩散特性，但在处理图像数据时显得效率不高、效果不理想，这些问题对图像加密提出了新的挑战，我们迫切需要研究和开发出更多适合图像自身特点的加密方法。

近年来，将元胞自动机应用于密码学引起了广泛关注。元胞自动机是一种空间、时间和状态均离散的动力系统，它由元胞空间、状态、邻域和规则四个主要部分构成。空间中的每一个元胞取有限的离散状态，并根据相同的局部规则作同步更新。元胞自动机具有组成单元的简单性、单元之间作用的局部性、信息处理的高度并行性以及全局的复杂性等特点，这些特点非常有利于设计出简单、并行、高效的加密系统。目前，元胞自动机加密研究主要集中在序列密码和分组密码，而专门涉及图像加密的方法较少。Martin提出了一种基于元胞自动机的二值图像加密方法，该方法利用混合元胞自动机构造出伪随机序列发生器，然后通过伪随机序列与明文图像进行异或来实现图像的加密。这种流密码加密方法虽然处理速度快，但安全性完全依赖于伪随机序列发生器的安全，并且经不住已知明文攻击。Chen等人利用元胞自动机的迭代实现图像加密过程中的替代操作，并利用SCAN技术实现置换操作。这类方法具有良好的混淆和扩散性能，但未能考虑算法的容错能力，当密文图像在传输过程中出错或受损时，即便是1比特的错误，也会因为误差的全局扩散而导致解密失败。

发明内容：

针对现有技术中的不足，本发明结合元胞自动机理论和密码学理论，提出一种安全性好且具有容错能力的基于元胞自动机的图像加密和解密方法。

本发明的技术方案如下：

1、加密过程(如图2)：

提取明文图像的像素矩阵I_M×N，M是图像的宽度，N是图像的高度，均以像素计，并且N为偶数，如果不是偶数，在像素矩阵末尾补上1行，补上的像素值全为0，然后将像素矩阵的每一行转换为二进制序列，得到N个二进制序列B₁，B₂，...，B_N，每个二进制序列的长度为L＝M×D，其中D代表存储每个像素所用的二进制位数；

(1)第一轮

步骤1：将二进制序列B₁、二进制序列B₂分别作为加密端的第一个元胞自动机的输入1和输入2，加密端的第一个元胞自动机根据输入的规则号f₁迭代d次，产生的输出1和输出2分别为二进制序列C₁、二进制序列C₂；

步骤2：将B₃和C₁异或的结果、B₄和C₂异或的结果分别作为加密端的第二个元胞自动机的输入1和输入2，加密端的第二个元胞自动机根据输入的规则号f₂迭代d次，产生的输出1和输出2分别为二进制序列C₃、二进制序列C₄；

以此类推继续执行，直到将B_N-1和C_N-3异或的结果、B_N和C_N-2异或的结果分别作为加密端的第N/2个元胞自动机的输入1和输入2，加密端的第N/2个元胞自动机根据输入的规则号f_N/2迭代d次，产生的输出1和输出2分别为二进制序列C_N-1、二进制序列C_N；

(2)第二轮

令B₁＝C_N，B₂＝C₁，B₃＝C₂，...，B_N＝C_N-1，然后重复第一轮的迭代：