[发明专利]一种基于混沌的新式并行图像加密方法

权利要求书

1.一种基于混沌的新式并行图像加密方法，其特征是，包括如下步骤：

1)假定明文图像的尺寸为M×N，采用自适应调节参数对混沌系统的初始条件进行控制，其中自适应调节参数生成和调节过程为：

1-1)首先，明文图像P被分为四个同样尺寸的子图像I₁、I₂、I₃和I₄，并生成相应的函数块fun₁、fun₂、fun₃和fun₄，则：

s＝round(sum(P)mod256) (1)，

其中k∈[1，4]，s表示明文因子，round(x)表示四舍五入x到最接近的整数，sum(P)表示对P求和，(A mod B)表示返回A除以B后的余数，而表示位异或操作；

1-2)自适应调节参数使用函数块和子图像块得到，详细为：

其中，δ_{adj_1}，δ_{adj_2}，δ_{adj_3}和δ_{adj_4}表示自适应调节参数；sum(I_k)表示对I_k求和；

然后，采用所生成的自适应调节参数来调整混沌映射的初始值，调节初始值过程如下：

其中x₀，y₀，z₀，w₀是混沌系统的初始值；

2)通过步骤1)生成的混沌序列来组建加密矩阵，其过程如下：

2-1)迭代混沌系统得到尺寸为1×MN的x、y、z和w四个混沌序列，之后生成另一个明文因子s₀和微调因子x_ad，过程如下：

其中floor(A)表示取小于或等于A的整数，而mean(A)表示取序列A的平均数，X₃₂是用于获取微调因子x_ad的量化数据；

2-2)采用明文因子s₀对混沌序列进行初步量化：

然后将1×MN尺寸的量化序列X′₁，X′₂，X′₃，X′₄重塑为M×N的量化矩阵X₁，X₂，X₃，X₄；

2-3)基于量化矩阵X₁，X₄和明文因子s₀生成加密矩阵X_swap、X_D和X_key，过程如下：

X_swap＝floor((abs(y)×10¹⁴+s₀)mod 256) (8)，

X_key(i，j)＝(X₄(i，j)+s₀)mod 256 (10)，

其中i∈[0，M-1]，j∈[0，N-1]，加密矩阵X_swap用于置乱图像，X_key作为后续动态扩散法的指针序列与X_D一起用于扩散加密操作；

3)先在位平面上混淆明文图像，然后，采用动态索引扩散法与加密矩阵结合运用到扩散过程里，对已混淆的图像进行扩散，得到最终的加密图像，这个过程即为混淆-扩散加密过程：

3-1)图像混淆过程：用量化矩阵X₁，对明文图像P的各行的对应像素进行交换操作，然后使用量化矩阵X₂对交换过像素的明文图像P的所有点进行循环移位，过程如下所示：

P₁(i，j)←(P(i，j)＞＞(8-X₂(i，j)))|(P(i，j)＜＜X₂(i，j)) (12)，

其中i∈[0，M-1]，j∈[0，N-1]，Eq.(11)表示同一行像素交换操作，Eq.(12)表示对P(i，j)进行位平面的循环移位操作，混淆过程完成后，混淆过的图像记为P₁，之后生成混淆图像因子和混淆图像一起完成扩散过程：

其中，s₀₁表示混淆图像因子；

3-2)扩散前的预处理操作：在扩散图像P₁前，先对P₁的第一行进行预加密，加密过程如下：

其中d_index1是动态指针，经过预处理操作后，此时P₁记为P₂；

3-3)P₂通过动态指针扩散对其余像素值加密，过程如下：

其中d_index2属于动态行指针，最后，对已扩散好的图像P₂通过公式(17)进行置乱：

其中置乱后可得最终加密图像C＝P₂；

4)在基于OpenCL技术的GPU平台上对加密过程进行并行加速：加速部分包括自适应调节参数生成、加密矩阵的组建、混淆和基于动态索引的扩散四个过程，其内核函数参数配置及描述如下：

四个并行内核函数即自适应调节参数生成核函数_kernel void Self-adaptingparameters()，加密矩阵的组建核函数_kernel void Quantization()，混淆核函数_kernel void Confusion()和动态索引的扩散核函数_kernel void diffusion()，这四个核函数的参数配置包括维度参数Ndrange，全局工作变量参数global_work_size和局部工作变量参数lobal_work_size，此外，四个内核函数有其相应的输入和输出；

在自适应调节参数生成的内核函数中，维度参数被设置为一维，全局工作变量和局部工作变量参数设置为[4，1]和[1，1]，输入变量包含明文因子s和分割后的子图像I_k，执行自适应调节参数生成过程，输出得到自适应调节参数δ_{adj_1～4}，所述自适应调节参数生成过程为步骤1-2)中所述；

在加密矩阵的组建内核函数中，维度参数被设置为一维，全局工作变量参数和局部工作变量参数设置为[M，1]和[1，1]，输入变量包含混沌序列y，另一明文因子s₀，微调因子x_ad，三个量化矩阵X₁，X₂，X₄，图像列尺寸N，执行加密矩阵的组建过程，输出得到加密矩阵X_swap，X_D，X_key，，其中X_swap用于置乱操作，X_D用于后续的扩散加密处理，X_key是指针序列，所述加密矩阵的组建过程为步骤2-3)中所述；

在混淆内核函数中，维度参数被设置为一维，全局工作变量和局部工作变量参数设置为[M，1]和[1，1]，输入变量包含明文因子s₀，明文图像P，两个量化矩阵X₁和X₂，图像列尺寸N，执行混淆过程，输出得到混淆图像P₁，所述混淆过程为步骤3-1)中所述；

在动态索引的扩散核函数中，维度参数被设置为一维，全局工作变量和局部工作变量参数设置为[N，1]和[1，1]，输入变量包含混淆图像因子s₀₁，混淆图像P₁，三个加密矩阵X_swap，X_key，X_D，量化矩阵X₃，图像行尺寸M，执动态索引的扩散过程，输出得到密文图像P₂，所述动态索引的扩散过程为步骤3-3)中所述；

最后加密图像表示为C，C＝P₂。