[发明专利]一种基于平衡规则的仿生元胞自动机的图像加密方法

说明书

本发明公开了一种基于平衡规则的仿生元胞自动机的图像加密方法，该方法的步骤为：首先利用数字填充技术在明文图像末尾填加随机数，使它转换成两个大小相同的二进制正方形矩阵，分别作为仿生元胞自动机两个初始状态，接着选取一个仿生元胞自动机的平衡规则作为密钥，利用仿生元胞自动机迭代数轮进行加密。本发明方法具有较大的密钥空间，能够抵抗各种攻击，非常适合图像加密。

技术领域

本发明涉及一种基于平衡规则的仿生元胞自动机的图像加密方法，属于信息安全领域中的图像保密技术。

背景技术

当今社会，随着信息时代的发展，越来越多的数字图像在网络上传输，在云平台里存储和在移动端中分享。这些图像不仅涉及个人隐私，更可能关乎国家安全等问题。因此，数字图像的安全问题越来越受到社会和学术界的重视。近些年来，出现了许多关于图像加密的算法，其中，元胞自动机因为其对初始值的敏感性、动态行为的随机性和演化的不可预测性，被广泛应用于图像加密。

元胞自动机是一个离散的动态系统。其结构简单，交互局部，行为随机，并且信息处理高度并行，使之在图像加密领域具有独特的优势。Wolfram最早将元胞自动机引入到密码学领域，提出了一种基于元胞自动机的流密钥，该算法是以初始状态为密钥，以规则30迭代数次产生随机序列。之后便出现了许多应用元胞自动机的加密技术，开启了密码学研究的全新领域。Faraoun等人，提出利用可逆元胞自动机的图像加密算法。利用一维元胞自动机通过多个处理器同时加密一幅图像来获得并行性。Yang等人，提出使用一维量子元胞自动机的新型量子图像加密。但由于演化过程在一维层面上，可用规则空间小，扩散程度低。

二维元胞自动机将演化过程从一维扩展到二维，改善了上述缺点，能产生更好的雪崩效应，提高加解密速度。Wang等人，应用被称为“生命游戏”的二维元胞自动机对图像进行置乱操作。但是置乱效果不佳，存在明显纹理。Wang等人，提出基于混沌和可逆元胞自动机的图像加密算法。元胞自动机的两个初始状态分别由图像的高四位和混沌系统产生。虽然该算法可以节约加密时间，但需要额外的存储空间记录最后两轮的迭代结果，以保证解密时，也拥有两个初始状态。Souyah等人，提出一种结合混沌-记忆元胞自动机的图像加密方案，该方案的扩散部分分为两阶段，首先利用混沌系统按顺序依次改变像素值，其次采用二维的四阶元胞自动机结合四叉树分解策略进一步扩散图像。上述几篇文献，都是在使用任意规则进行演化的同时，元胞自动机仍具有可逆能力，使得规则空间变大了。但是元胞自动机不同的局部规则，所产生的演化特性各不相同，有的表现出某种固定或周期型的结构，有的则表现出随机或混沌的非周期型行为。所以对局部规则的选取需要进一步的考虑。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于平衡规则的仿生元胞自动机的图像加密方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种基于平衡规则的仿生元胞自动机的图像加密方法，该加密方法包括以下步骤：

步骤1，提取明文图像的像素矩阵I_m×n，其中，m是明文图像的高度，n是明文图像的宽度；

步骤2，将明文图像的像素矩阵I_m×n转换成长度为m×n的一维序列，然后在该一维序列末尾填充伪随机数，所填充的伪随机数的长度填充完成后的一维序列长度为

步骤3，将填充完成后的一维序列转换为二进制序列，该二进制序列长度为然后将该二进制序列转换成两个二进制正方形矩阵I_a′_×a和矩阵I_a″_×a，其中，a为二进制正方形矩阵的边长，值为