[发明专利]一种基于混沌理论的数字图像并行加密方法

说明书

技术领域

本发明涉及信息安全领域，尤其涉及一种基于混沌理论的数字图像并行加密方法。

背景技术

混沌是与量子力学、相对论并列的20世纪三大物理学重要发现之一，混沌现象是指在确定的非线性系统中，在不加以任何随机因素的条件下，由于自身内部的相互作用表现出来类似随机过程的一种现象。而混沌与生俱来的各种特征非常符合密码学中的基本要求。如：首先，混沌系统对初始条件的极端敏感性，使得密码系统的密钥空间更广且密钥敏感性极强；其次，混沌系统产生的混沌信号是非周期且非收敛的，又具有很好的随机性和复杂性，所以这种特性很适合让它做密码学随机数发生器；最后，混沌信号具有结构复杂、类似噪声等特性使得它具有天然的隐蔽性。因此，基于混沌理论提出的密码方案具有传统加密技术没有的优良特性，进而将混沌应用于数字图像加密领域有着广泛的应用前景。

基于混沌的图像加密算法研究开始阶段主要基于Shannon提出的混淆和扩散框架。首先，在混淆阶段利用混沌系统产生的混沌序列来置乱像素点的位置；其次，在扩散阶段主要是通过改变像素点的像素值来获取更好的加密效果。而其中的猫映射是在混淆阶段中使用最为经典的方法，它不仅易于实现，而且运行速度快等特点使它至今依旧被很多加密算法所青睐。Guan等人提出了一种通过猫映射和Chen系统的混沌图像加密算法；Chen等人进一步将二维猫映射推广到三维，进而得出一种利用三维猫映射的混沌图像加密算法；Gao等人采用了一种称为置乱矩阵的序列对图像像素的行列进行变换，它先是利用一维logistic 映射产生一个伪随机的混沌序列，再利用该序列来分别对像素进行行的重新排列和列的重新排列，结果表明这种置乱方法比猫映射具有更高的安全性，所以也被广泛的应用于图像加密中；朱建良等人提出了一种在生成混沌信号的过程中参数随机变化的混沌伪随机序列产生方法,并基于该方法提出了一种新的图像加密算法；Zhang等人提出了通过DNA编码进行图像加密。综上所述，对于混沌图像加密技术的研究不管是广度还是深度都取得了很大的发展和突破，新算法的不断涌现使得混沌图像加密技术也越来越走向成熟。而目前的一些图像加密方法主要存在不能有效抵抗差分攻击、选择明文(密文)攻击等问题，而且算法基本上都是采用的串行加密方式进行加解密。

发明内容

针对上述安全性问题和加密性能问题，本发明提出一种基于混沌理论的数字图像并行加密方法。

本发明一种基于混沌理论的数字图像并行加密方法，包括步骤

S1：使用混沌序列对明文图像进行全局性位置置乱；

S2：将明文图像分为若干份；

S3：对每份明文图像进行并行局部扩散，并将每一份明文图像的最后一个像素和下一份明文图像的第一个像素进行交换；

S4：重复步骤S3，直到完成明文图像的全局扩散。

进一步地，步骤S1中所述混沌序列是使用Kent混沌系统产生的。

更进一步地，步骤S1包括步骤：

S11：将原明文图像按照行优先的顺序转换为一个长度为m×n的一维序列L＝{l₁,l₂,l₃,…,l_m×n}，该序列的取值范围均为[0,255]；

S12：将原明文图像的所有像素值相加得到一个总值为sum，然后再用sum来除以图像的总像素点个数即m×n，由此来获得整个图像的一个平均像素值为avg，由公式和公式t＝m+n+mod(avg×10⁸,m+n)可分别得到Kent混沌系统中所需的控制参数a和迭代次数t；

S13：设Kent混沌系统的系统变量初始值为x₀，将x₀和a代入Kent混沌系统中，进行Kent映射t次迭代，然后再继续迭代m×n次，产生一个长度为m×n的一维混沌序列K＝{k₁,k₂,…,k_m×n}；

S14：对混沌序列所述K进行从小到大排序，产生一个用来记录排序后的序列中各个元素在原序列K中所在位置的一个位置序列K'＝{k₁',k₂',…,k'_m×n}，并由所述位置序列来对明文序列L进行全局性的位置置乱，最终得到置乱图像序列L'＝{l₁',l₂',…,l'_m×n}。