[发明专利]一种基于混沌的快速彩色图像加密方法

说明书

本发明提出一种基于混沌的快速彩色图像加密方法，该方法初始化置乱密钥和替代密钥；将待加密图像像素记为一维数组；生成超混沌Lü系统的混沌序列；对混沌序列进行量化处理，得到置乱密钥流；根据置乱密钥流permKstr对待加密图像像素数组进行置乱操作；以替代密钥作为logistic混沌映射的状态变量初始值进行logistic映射迭代，根据logistic混沌映射的当前状态变量值生成三个替代密钥流元素对置乱操作后的数组imgDatal的一个像素点的三个子像素进行加密；对待加密图像像素进行多轮加密，得到加密后的数组；显著提升了加密效率；通过引入基于明文的混沌轨道扰动机制，使密钥流与明文相关，增强了加密系统抗选择明文攻击的能力，同时提高了混沌密钥流序列的随机统计特性。

技术领域

本发明属于数字信号加密技术领域，具体涉及一种基于混沌的快速彩色图像加密方法。

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，极大地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，因此图像信息的安全问题引起了普遍的关注。在近年来所提出的多种图像加密方案中，基于混沌的方案具有显著的技术优势和应用潜力，成为了密码学领域近年来的一个研究热点。

上世纪90年代初，研究人员发现混沌学与密码学之间存在着天然的联系。混沌系统所具有的初始条件敏感性、遍历性、轨道不可预测性以及伪随机性等一系列特性，能够很好地匹配一个完善的密码系统的设计准则。基于混沌动力学构造的加密系统，在设计上具有很强的灵活性，可提供安全性与计算效率间的一个良好的平衡，特别适合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。1998年，美国学者JessicaFridrich提出了首个通用的图像加密架构。该架构通过“置乱”(permutation)与“替代”(substitution)两个核心过程来实现一个安全的图像加密系统。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。在替代阶段，每个点的像素值在密钥流作用下依次被改变，同时，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选择明文攻击。

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进行了广泛深入的研究，取得了诸多成果。现有方案大多以灰度图像为研究对象，对彩色图像的研究相对较少。这是因为一幅彩色图像是由三个色彩分量(红、绿、蓝)所合成的，而每个色彩分量的数据表达与一幅灰度图像无异，因此对一幅彩色图像的加密可以看作是对三幅灰度图像的加密，即：“置乱”与“替代”密钥流元素的量化生成以表达色彩分量大小的子像素为单位。本发明提出了一种基于混沌的快速彩色图像加密方法，在替代密钥流生成过程中采用24位量化机制，使得一个状态变量可同时生成三个密钥流元素，用于加密一个彩色像素的三个子像素点，显著提升了加密效率。密码学分析与实验表明，本发明所提出的24位量化机制与传统的8位量化机制相比，在安全性上没有降低。此外，在替代过程中，基于明文像素值对混沌系统轨道施加扰动，从而使密钥流与明文相关，增强了加密系统抗选择明文攻击的能力，同时提高了混沌密钥流序列的随机统计特性。加密速度测试结果表明，本发明方法在加密速度上显著优于传统方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于混沌的快速彩色图像加密方法。

一种基于混沌的快速彩色图像加密方法，包括以下步骤：

步骤1：初始化置乱密钥和替代密钥；

步骤2：将待加密图像像素记为一维数组imgData＝{p₀，p₁，...，p_3×H×W-1}，其中，p_m为待加密图像像素点的红、绿、蓝三颜色分量的子像素值，m＝0，1，...，3×H×W-1，H为待加密图像的高度，W为待加密图像的宽度；