[发明专利]一种基于二维元胞自动机的图像置乱方法

说明书

技术领域

本发明涉及信息安全领域中的图像保密技术，特别是一种基于二维元胞自动机的图像置乱方法。

背景技术

数字图像置乱是指将图像搅乱，消除位置或灰度相关性，从而使人类或计算机系统无法理解原始图像所表达的真实含义。数字图像的置乱技术，可以看做数字图像加密的一种途径，也可以用作数字图像隐藏、数字水印图像植入和数字图像秘密共享的预处理和后处理过程。

常见的图像置乱方法有Arnold变换、Fibonacci-Q变换、幻方变换、骑士巡游变换、Hilbert曲线、混沌排序方法等。其中，以Arnold变换为代表的基于矩阵变换的图像置乱算法应用最为广泛，它们具有变换阵构造简单、置乱实现容易等特点。但缺点是Arnold变换置乱后的图像存在明显的纹理效果，并且Arnold变换本身是一种拟仿射变换,具有线性密码学特性，导致其安全性较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，而提供一种基于二维元胞自动机的图像置乱方法，与基于矩阵变换的图像置乱方法相比，由于二维元胞自动机的演化行为具有非线性的特点，使得本发明提出的方法不仅置乱效果好，而且安全性更高。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种基于二维元胞自动机的图像置乱方法，包括以下步骤：

步骤1，提取明文图像的像素矩阵I_M×N，M是图像的宽度，N是图像的高度，均以像素计；

步骤2，根据步骤1中明文图像的高度和宽度，令二维元胞自动机水平方向元胞的数量为M，二维元胞自动机垂直方向元胞的数量为N，设定一个大小为M×N个元胞的二维元胞自动机；

步骤3，设定二维元胞自动机的迭代规则；

步骤4，二维元胞自动机的每个元胞在t＝0时刻的状态由随机数发生器产生，t＝0时刻所有成活元胞的集合记为C₀，然后二维元胞自动机依据步骤3设定的迭代规则进行n步 迭代；

步骤5，令集合Z为二维元胞自动机内所有元胞都是成活状态，C_i为二维元胞自动机迭代到第i步时所有成活元胞的集合，1≤i≤n，S_i＝∪_0≤j≤iC_j为二维元胞自动机迭代到第i步时所有成活过的元胞的集合，∪为集合的并运算，则图像置乱步骤如下：

步骤5a：建立二维元胞自动机中元胞与明文图像中像素点的一一映射；

步骤5b：将二维元胞自动机t＝0时刻中状态为1的元胞对应的像素点按扫描线顺序排列在置乱图像坐标空间内；

步骤5c：二维元胞自动机迭代到第i步时，将S_i-S_i-1集合中的元胞对应的像素点按扫描线顺序排列在置乱图像坐标空间内，-是两个集合的差运算；

步骤5d：二维元胞自动机迭代到第n步时终止，则将Z-S_n集合中的元胞对应的像素点按照扫描线顺序排列在置乱图像坐标空间内，至此置乱结束，置乱后的图像记为P₁；

步骤6，将置乱后的图像P₁作为明文图像并继续重复执行步骤5一次，得到最终置乱后的图像P₂，至此完成全部两轮图像置乱。

作为本发明所述的一种基于二维元胞自动机的图像置乱方法进一步优化方案，所述步骤2中该二维元胞自动机每个元胞具有活和死两个状态，分别用1和0表示，每个元胞与其上下左右以及对角线上的元胞组成一个3×3的Moore邻域；对二维元胞自动机边界上的元胞进行周期型边界处理：第0行元胞的状态值等于第N行元胞的状态值，第N+1行元胞的状态值等于第1行元胞的状态值，第0列元胞的状态值等于第M列元胞的状态值，第M+1列元胞的状态值等于第1列元胞的状态值。

作为本发明所述的一种基于二维元胞自动机的图像置乱方法进一步优化方案，所述步骤3中的迭代规则为B3/S1234。