[发明专利]一种具有明文相关置乱机制的快速混沌图像加密方法

说明书

本发明提出一种具有明文相关置乱机制的快速混沌图像加密方法，属于图像处理技术领域，本发明其置乱算法基于像素点交换机制，交换目标的位置由logistic混沌映射生成；置乱密钥，即logistic映射的初始状态，由明文图像的City哈希值所确定；基于哈希函数的雪崩特性和混沌系统对初值的极端敏感性，两幅明文图像间即使只存在微小的差异，也将产生完全不同的置乱效果；这种与明文相关的置乱方法可有效加速扩散过程，并提高扩散强度；扩散性能分析测试表明，本发明方法通过降低相对耗时的扩散过程所需的迭代轮数，获得了加密速度的提升。

技术领域

本发明属于图像处理技术领域，具体涉及一种具有明文相关置乱机制的快速混沌图像加密方法。

背景技术

近年来，数字图像已成为人们进行信息交流的重要手段。与此同时，图像信息在开放网络环境下的传输存在着巨大的安全隐患，因此对图像信息进行加密至关重要。而在密码学领域中，现代密码学中的经典算法已越来越不能满足日益增长的图像实时安全传输的需求。混沌理论的出现为密码学提供了一个全新的思路。混沌系统具有的初值与系统参数极端敏感性、遍历性、轨道不可预测性以及良好的伪随机性等一系列与密码学相契合的优良特性。目前，混沌图像加密算法已成为图像信息安全的主流技术和研究热点，具有极大的应用潜力。

1998年，美国学者Jessica Fridrich首次提出了一种通用的图像加密架构，该架构通过“置乱”与“扩散”两个核心模块实现。在置乱阶段，图像中每个像素点位置以一种伪随机的方式被打乱；在扩散阶段，加密系统更改每个像素点的像素值并将其影响扩散至整个密文图像。在其后十余年间，世界各国学者以Fridrich所提出的架构为基础，对基于混沌的数字图像加密技术已经进行了广泛深入的研究，取得了诸多成果。与此同时，针对此项技术的密码学分析工作也蓬勃展开。近年来学者们相继发现在现有的很多方案中，存在以下共性不足：

(1)混沌系统是一种非线性非周期系统，但经离散化的混沌系统一般不再具有非周期性。这意味着一幅图像在经离散混沌映射置乱若干轮后，有可能回到其初始状态，从而失去了置乱的意义。

(2)对于cat、baker以及standard等常用映射，坐标点(0，0)为不动点。为克服此问题，需要对这些不动点进行专门的处理，而这导致了系统的运算量增加。

(3)现有的保面积可逆混沌映射，如cat映射，baker映射以及standard映射，只能应用于正方形图像。对于更为一般的长方形图像，必须首先将其转换为正方形，这同样增加了系统的运算量。

(4)扩散操作具有较高的计算负载，是影响混沌加密系统整体效率的最主要因素。面对当前越来越多的高分辨率图像的实时网络传输应用，传统混沌加密算法所引入的时延是不可忽略的。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种具有明文相关置乱机制的快速混沌图像加密方法，其置乱算法基于像素点交换机制，交换目标的位置由logistic混沌映射生成；置乱密钥，即logistic映射的初始状态，由明文图像的City哈希值所确定；基于哈希函数的雪崩特性和混沌系统对初值的极端敏感性，两幅明文图像间即使只存在微小的差异，也将产生完全不同的置乱效果；这种与明文相关的置乱方法可有效加速扩散过程，并提高扩散强度；扩散性能分析测试表明，本发明方法通过降低相对耗时的扩散过程所需的迭代轮数，获得了加密速度的提升。

一种具有明文相关置乱机制的快速混沌图像加密方法，包括以下步骤：

步骤1、设置logistic映射的控制参数、Lü系统的控制参数和扩散密钥；

步骤2、按由上至下、由左至右的顺序，将待加密图像每个像素的三个颜色分量的值依次存入一个一维数组中；

步骤3、根据所获得的待加密图像一维数组，对明文图像进行置乱处理，具体如下：

步骤3-1、根据所获得的待加密图像一维数组获得City哈希值；