[发明专利]一种基于混沌的新式并行图像加密方法

说明书

本发明公开了一种基于混沌的新式并行图像加密方法，包括如下步骤：1)利用所提出的自适应调节参数对混沌系统的初始条件进行控制；2）生成相应的混沌序列，并对其进行量化以构造加密矩阵；3）在位平面上混淆明文图像，然后，将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。这种方法基于图形处理单元（GPU）实现并行加速，能提高加密效率，且能够有效地抵抗基于密码分析的各种攻击，具有较快的加密速度和良好的安全性能。

技术领域

本发明涉及图像加密技术领域，具体是一种基于混沌的新式并行图像加密方法。

背景技术

数字图像作为信息载体的一种重要形式，在许多领域都有着广泛的应用，因此，防止其遭受不同的恶意攻击和预防信息泄露成为个人和网络服务提供商关注的主要问题。图像加密是隐私保护的一个重要课题和有效方法。传统的文本加密标准，如高级加密标准(AES)和数据加密标准(DES)等，由于相邻像素间相关性强、数据量大、数据冗余度高，不适合直接用于图像加密，因此，人们提出了大量新的图像加密方案，其中基于混沌的加密方案由于混沌系统的伪随机性、不可预测性和遍历性而受到广泛关注。

一个好的图像加密系统不仅保证了密码分析攻击的安全性和鲁棒性，而且具有较快的加密速度，有利于图像在实际应用中的实时传输，因此，已经研发了各种基于混沌系统的并行图像加密算法。例如，学者们设计了一种基于离散化Kolmogorov流图和四种基本变换的并行图像加密框架。几年前，一种基于混沌和压缩感知(CS)的并行图像加密方法被提出，该方法提升了抵抗选择和已知明文攻击的能力。此外，相关学者还提出了一种新的明文相关的，结合混沌窗口的并行图像加密算法。上述的这些并行图像加密方案，通过对原图像进行等分割，从而对大小相同的子图像同时进行加密，提高了加密效率的同时，由于加密的混沌序列与明文图像也密切相关，因而大大提高了明文的敏感度，类似地，基于混沌的多图像加密(MIE)方案是使用一些新的并行编码方法设计的，此外，量子编码作为一种并行编码方法，在图像处理领域得到了广泛的关注。在量子图像表示模型和混沌映射的基础上，有人提出了一些量子图像加密方案，这些加密结构为在不同平台上实现并行图像加密提供了丰富的理论基础。而在各种软硬件平台上，图形处理单元(Graphics Processing Unit，简称GPU)因其出色的性能而受到学者们的欢迎。

与CPU相比，GPU由于其更多的计算单元更适合于加速大数据集的加密过程，因此，在GPU平台上提出并实现了几种并行图像加密方案。具体地说，学者们研发了一种利用位平面分解和并行遗传算法(GA)的图像加密新算法，利用GPU在比特级上加速了分布式GA算法，提高了加密效率。此外，一种基于轻量级混沌映射和简单逻辑及算术运算的新型并行加密结构被提出，对于大规模并行体系结构，例如GPU也进行了高度优化。在此基础上，还设计了一种基于分段线性混沌映射和四维超混沌映射的并行数字图像加密算法，该算法在图形处理器设备上实现，大大提升了加密的速度，然而，大多数的并行图像加密算法对于递归问题的适应性较低，为此如何妥善结合串并行优势，设计更优质的加密算法，是如今需要关注的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种基于混沌的新式并行图像加密方法。这种方法安全性高并且加密速度快，具有抵御各种攻击的良好性能。

实现本发明目的的技术方案是：

一种基于混沌的新式并行图像加密方法，与现有技术不同的是，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：