[发明专利]一种具有双向扩散机制的混沌图像加密方法

说明书

技术领域

本发明属于图像加密领域，具体涉及一种具有双向扩散机制的混沌图像加密方法。

背景技术

近年来，随着多媒体与计算机网络技术的飞速发展，数字图像作为最直观的信息载体已成为人们进行信息交流的重要手段，越来越多的数字图像在以Internet、无线网络等为代表的开放性网络中传播，极大的方便了信息的访问与共享。与此同时，商业、金融、医疗、科研、军事、政治等诸多敏感领域的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，经常会遭到各种人为的攻击，包括信息的非法窃取、篡改与发布等，给信息拥有者造成巨大的损失。

现代密码学中的常见算法，如Triple-DES(三重-数据加密标准)、AES(高级加密标准)以及IDEA(国际数据加密算法)等，均可以应用于图像加密，保护图像信息的安全。然而，与普通文本信息相比，数字图像具有容量大、冗余度高、可理解性好等特点。经典加密算法均未考虑到图像的这些专有特性，因此并不适合于图像加密。尤其近年来随着宽带网络的普及，经典算法在加密速度上越来越不能满足日益增长的图像实时安全传输的需求。

近年来混沌理论的发展为密码学提供了一个全新的思路。自上世纪90年代中期以来，很多学者发现混沌学与密码学之间存在着天然的联系。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特性，使其能够很好的满足构建一个安全性能良好的密码系统的需求。基于混沌动力学构造的加密系统，提供了安全性与加密效率的一个良好的平衡，其既具有很高的安全性保证，又具有软、硬件实现简单，速度较快的特点，特别适合于对数据量较大的数字图像进行加密，实现数字图像的实时、安全传输。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发表了混沌图像加密的奠基性论文“Symmetric ciphers based on two-dimensional chaotic maps”，在该文中首次提出了一种通用的混沌数字图像加密架构，如图1所示。

该架构由“置乱”(confusion)与“扩散”(diffusion)两个核心模块组成，分别实现消除相邻像素间的相关性和改变图像的统计特性。加密系统的密钥为控制置乱—扩散过程的混沌映射的初始参数与初始值。在置乱阶段，图像中每个像素点的位置以一种伪随机的方式被打乱，但像素值保持不变。置乱操作通常基于保面积可逆混沌映射实现，常见的有Arnold cat映射，baker映射以及standard映射。为了达到充分消除相邻像素间的相关性的目的，置乱过程共迭代m轮(m>1)。对于扩散过程，除了改变每个点的像素值以外，其另一个核心功能是将每个像素点的影响扩散至整个密文图像，从而保证加密系统可有效抵御差分攻击。所谓差分攻击是指攻击者采用相同的密钥，加密两幅具有极其微小差异(例如一个比特)的明文图像，进而通过对比两幅密文图像，分析出所使用的密钥流乃至密钥情况。因此，若一个像素值的微小改变可有效的扩散到整幅密文图像中，即：使用相同的密钥加密两幅具有微小差异的图像，得到的两个密文图像是完全不同的，则差分攻击是无效的。为满足不同的安全等级要求，整体置乱—扩散操作共执行n轮(n>1)。

为达到扩散的目的，目前普遍采用的方法是：对某个像素值的改变，依赖于该像素点所有前面已加密的像素值的累积效应。具体的扩散原理如图2所示。

不失一般性，设明文图像的大小为(M,N)。假设一种极端情况，对于像素值的微小改变，施加于明文图像的右下角像素(M,N)(以黑色像素点表示)。经过第一轮置乱后，该像素点被置乱到图像中的某一位置(M′,N′)。在第一轮扩散中，每个像素点的值按照从左至右、从上至下的顺序依次被改变，因此该差异将扩散到(M′,N′)点的后续所有点中。在第二轮置乱中，这些差异点被分配到密文图像中的不同位置。在经过第二轮扩散后，差异范围进一步被扩大。基于以上过程，经过3-4轮整体“置乱—扩散”操作，这一微小的差异将扩散至整个密文图像。

在扩散过程中，对每个像素值的改变均需要一个独立的密钥流元素，而每生成一个密钥流元素，就要完成一次混沌系统的迭代和混沌状态变量的量化操作。为保证加密系统的密钥敏感性，所有运算均基于64位双精度浮点数实现。因此，扩散过程具有很高的计算负载。对于当前应用越来越多的高解析度大容量图像，混沌加密算法仍会引入不可忽略的时延，不能非常好的满足宽带网络下大容量图像实时、安全传输的需求。