[发明专利]一种与明文像素动态相关的混沌图像加解密方法

说明书

本发明提供了一种与明文像素动态相关的混沌图像加解密方法，属于图像加密领域，包括密钥生成、图像加密和图像解密，所述密钥生成步骤提出了一种明文像素相关的密钥生成算法，用于提升加密结果与明文图像的相关性，能够有效的防范选择明文攻击，所述图像加密步骤包括动态置乱和扩散方法，将置乱和扩散过程进行结合，每一步操作都由加密结果进行动态的改变，提升加密过程的随机性，这种动态置乱和扩散的加密方式使得只需要进行一轮加密即可将明文图像安全的进行加密。本发明具备较大的密钥空间和较高的密钥敏感性，能够抵御统计学分析、差分分析及选择明文分析等常见的密钥分析方法，能为数字图像的存储和传输提供较高的安全性保障。

技术领域

本发明属于加解密技术领域，涉及一种与明文像素动态相关的混沌图像加解密方法。

背景技术

数字图像加密方法领域在数十年的探索过程中已经出现了很多优秀的加密方法，但随着现代计算机性能的不断攀升和密码学破译技术的不断发展，许多方法的安全性受到了挑战，以往被认为的安全性较高的方法已经被证实不再安全。在研究加密方法的过程当中，除了保证加密方法能够有效地对图像信息进行加密之外，尽可能的提升加密方法抵抗各种攻击方法的能力也是非常重要的。

为了抵御选择明文攻击，2018年Li等人设计了一种与明文相关的密钥流生成方法。在置乱阶段，使用全文像素总值和输入参数来生成密钥；在扩散阶段，使用扩散结果中的9个固定位置的像素值来生成密钥。该方法在两个阶段使用不同的密钥流生成方法，并且两个密钥流生成方法均与明文图像相关联，因此该方法能够防范选择明文攻击。但是该方法的复杂度较高，且扩散阶段的密钥生成只与9个特殊位置的值有关，攻击者可能使用这一缺陷来进行攻击，该方法存在安全性缺陷。2022年Chen等人使用哈希算法来产生混沌系统的部分初始参数，从而增加加密方法与明文图像的相关性。但是为了保证混沌系统的参数范围，该密钥生成方法还使用了手动输入的参数，对于不同输入图像可能产生相同的加密密钥，这使得该方法抵抗选择明文攻击的能力较差。后来，Peng等人研究出了一种与明文相关的置乱方法，能够有效的抵抗选择明文攻击。但是该方法需要多轮的加密操作，并且每一轮加密中包括了多轮的置乱和扩散。由于其置乱过程与明文相关，所以该方法能抵抗选择明文攻击，且多轮的加密过程提升了方法的安全性，但是方法的缺点在于复杂度过高、耗费时间长，同时加密效率较低。

发明人检索到本技术领域相关的一篇中国发明专利，专利名称为：基于公钥系统和哈希算法的混沌图像加密及传输方法，申请号为：202110654294.X，本发明与上者区别技术特征如下，并将上者称为“对比文件”：

1、对比文件涉及了公钥系统和私钥系统，用私钥系统加密图像，然后用公钥系统来加密和传输私钥，本发明只涉及图像加密解密过程，即只包含私钥系统；

2、对比文件与本发明均使用哈希算法作为与图像关联的方式，哈希算法能够针对不同的图像产生不同的哈希值，即使图像差异不大也会产生完全不同的哈希值，属于图像加密领域的常用操作，当具体使用的算法与哈希值的利用方式均不相同；

具体地，对比文件基于哈希算法来加密解密图像，但文中未指定所用哈希算法的类型以及利用方式，而本发明使用SHA-512哈希算法从图像中产生哈希值，随后用自己设计的密钥生成算法从哈希值中产生用于生成随机数的参数，密钥生成算法也属于本发明的技术特征；

3、对比文件中的私钥系统与本发明中的图像加密解密系统均包含了图像的置乱与扩散操作，此操作属于图像加密领域的常用概念，但具体实现方式完全不同，同时在扩散操作中由于异或操作的可逆性，异或也是图像加密领域的常用基础操作，不具有相似性；对比文件置乱过程属于位平面的置乱操作，即将一个范围为0～256的像素值转换为8位二进制，然后对二进制中的指定位数进行组合(组成正方形的矩阵)，组合后进行行列的移位操作。完成置乱操作之后，还原成像素级的图像矩阵(将8位二进制转换成0～255的像素值)，在扩散过程从混沌系统生成与图像大小相同的随机数矩阵，将图像中每个像素点与随机数矩阵中对应位置的随机数进行异或，然后再根据规则与像素点下方或者右边的像素值异或，得到加密之后的图像；