[发明专利]一种基于混沌映射与双向操作Feistel结构的图像加密方法

说明书

本发明提出了一种基于混沌映射与双向操作Feistel结构的图像加密方法，用以解决现有基于混沌映射的图像加密算法置乱‑扩散不充分与加密过程脱离明文，易受明文攻击的问题。本发明首先对明文图像使用SHA‑256算法生成256bit的哈希值，对其计算修正得到混沌系统的初始值；然后迭代混沌系统更新初始值，再次迭代混沌系统生成伪随机序列，对其计算修正得到轮密钥和调制矩阵；其次使用双向操作Feistel结构对图像进行行和列的两次比特级的置乱、扩散以及像素重排操作；最后使用调制矩阵对序列进行全局置乱与扩散操作后生成最终的密文图像。实验结果和安全性分析表明本发明所提的加密方法增强了算法明文敏感性，且能够有效的抵抗攻击，有良好的安全性。

技术领域

本发明属于数字图像加密技术领域，具体涉及一种基于混沌映射与双向操作Feistel结构的图像加密方法。

背景技术

随着互联网等信息技术的快速发展，多媒体成为传播信息的主要途径，图像作为信息的载体具有生动形象，信息量大的特点，成为人们日常生活中沟通交流不可或缺的一部分。在现实生活中，军事涉密图像、个人或商业私密图像被泄露、篡改的现象经常发生，保护图像数据安全就显得尤为重要，而图像加密技术是一种有效保护传输数字图像信息的方法。

由于图像具有数据量大、冗余度高和像素相关性强等特点，导致传统的加密算法不再适用。而混沌系统具有初值敏感性、伪随机性、非周期性等特点与密码学所要求的特性相吻合。目前，混沌加密技术在信息安全领域，特别是在图像加密领域得到了广泛的应用^[1-7]。

Feistel结构是由密码学家Horst Feistel提出的分组密码结构，是可以快速实现的对称密码算法，其在信息加密、隐藏以及认证等安全技术领域有巨大的发展潜力^[8]。

发明内容

针对现有的部分图像加密方法中存在置乱-扩散不充分，时间消耗大，以及加密过程脱离明文，易被明文攻击的问题，本发明采用超混沌Lorenz系统结合构建Feistel结构对明文图像进行双向比特级置乱、扩散与像素重排后再进行全局置乱与扩散操作，实现了对传输图像加密的目的，本发明中混沌系统的初始值由明文图像信息计算修正产生，保证了加密方法对明文的敏感性。

本发明涉及两个主要模块，第一个模块是图像Feistel结构的比特级置乱、扩散与像素重排；第二个模块是图像的全局置乱与扩散。

1.图像Feistel结构的比特级置乱、扩散与像素重排

1.1轮密钥以及调制矩阵的产生

通过对明文图像信息使用SHA-256算法，生成256bit的哈希值，对其计算生成混沌系统的初始值x₀，y₀，z₀和w₀。

本发明采用超混沌Lorenz系统，它是一个著名的四维混沌系统，该系统有着复杂的动力学行为，其方程为：

其中，x，y，z和w为系统的状态变量，a，b，c和r为系统的控制参数，在a＝10，b＝8/3，c＝28，-1.52≤r≤-0.06时，系统表现为超混沌状态。