[发明专利]一种基于空间扩散结构的并行图像加密系统及方法

权利要求书

1.一种基于空间扩散结构的并行图像加密系统的加密方法，其特征在于该并行图像加密系统包括：

会话密钥生成模块，对添加了真随机数的明文图像进行散列函数计算，生成会话密钥，同时对散列值进行量化产生混沌系统所需的初始值参数和预迭代次数；

密钥序列生成模块，基于超混沌系统结合初始值参数和预迭代次数生成密钥序列，并结合转置模块对密钥序列进行转置得到密钥矩阵；

初始化向量生成模块，通过量化logistic生成的原始混沌序列来生成初始化向量；

空间扩散加密模块，包括初始向量更新模块、行并行加密模块、列并列加密模块，其中初始向量更新模块在每一轮扩散前更新加密所需的初始化向量，行并行加密模块通过密文分组链接模式结合当前初始化向量及密钥矩阵对明文图像进行两轮逐行加密处理，列并列加密模块通过密文分组链接模式结合当前初始化向量及密钥矩阵对明文图像进行两轮逐列加密处理；

具体的加密步骤包括：

S1、对添加了真随机数的明文图像进行散列函数计算产生散列值，并对散列值进行量化，产生混沌系统迭代所需的初始值参数和预迭代次数；

S11、将尺寸为M×N的灰度明文图像P转换为长度M×N的一维序列S₀；

S12、通过程序接口从Random.org网站获取一个真随机数Strn∈[0，255]；

S13、将StrnStrn和S₀进行拼接，即S₁＝[S₀，Strn]，利用SHA-256算法计算散列值，得SK＝Hash[S₁，‘SHA-256’]，SK即为长度256比特的会话密钥；

混沌系统迭代所需的初始值参数和预迭代次数通过hex2dec函数运算得到，其中初始值参数运算公式为：x_i(1)＝hex2dec(SK(i×12+1：i×12+12))×2^-48，i∈{0，1，2，3，4}；

超混沌预迭代次数运算公式为：h1＝hex2dec(SK(61∶62))；

混沌预迭代次数运算公式为：h2＝hex2dec(SK(63∶64))；

S2、基于超混沌系统结合步骤S1产生的初始值参数和预迭代次数生成一维密钥序列，对一维密钥序列进行转置得到二维密钥矩阵；

S21、建立超混沌系统方程为：

其中a，b，c，d，e和f为系统的控制参数，系统在a＝10，b＝5，c＝2，d＝-16，e＝1.5，f＝-50时具有两个正的Lyapunov指数；

S22、通过初始值运算公式计算超混沌系统的四个初始值{x₁(1)，x₂(1)，x₃(1)，x₄(1)}，输入超混沌系统进行预迭代h1次，得到一组新的状态值{x₁，x₂，x₃，x₄}；

S23、初始化一个空序列K，B；

S24、将状态值{x₁，x₂，x₃，x₄}放入序列B，按照规则对序列B进行改造，其改造规则为：

S25、将序列K₁，K₂加入序列K，即序列K＝{K，K₁，K₂}，清空B，K₁和K₂序列；

S26、重复次执行步骤S24和S25，生成一个长度为MN+8的一维密钥序列K(1，1:M)；

S27、将一维密钥序列K(1，1:M)转职成二维密钥矩阵K(M，N)；

S3、通过logistic映射结合预迭代次数生成第一轮扩散所需的初始化向量；

S31、通过初始值运算公式计算得到初始值x₅(1)，并将该初始值输入logistic映射x_n+1＝4x_n(1-x_n)中，进行预迭代h2次；

S32、使用logistic映射进行迭代运算生成长度为N的原始混沌序列x₀；

S33、通过公式IV＝mod(x₀×10¹⁵，256)生成第一轮扩散操作所需的行初始化向量；

S4、通过密文分组链接模式结合初始化向量及二维密钥矩阵对明文图像进行四轮扩散加密获得加密图像，其中第一轮和第二轮扩散加密为逐行扩散加密，第三轮和第四轮扩散加密为逐列扩散加密，且每轮扩散加密前更新此轮加密过程所需的初始化向量：

S41、第一轮逐行扩散加密，其初始化向量C1(0，：)＝IV，分别将密钥矩阵的第i行与待加密的第i行灰度值和已加密的第i-1行灰度值相加后进行模256运算，产生的两个中间结果进行比特异或，得到第i行的加密灰度值：

S42、第二轮逐行扩散加密，更新初始化向量C2(0，：)＝C1(M，：)，重复加密步骤：

S43、第三轮逐列扩散加密，其初始化向量C3(0，：)＝C2(：，N)，分别将密钥矩阵的第j列与待加密的第j列灰度值和已加密的第j-1列灰度值相加后进行模256运算，产生的两个中间结果进行比特异或，得到第j列的加密灰度值：

S44、第四轮逐列扩散加密，其初始化向量C3(0，：)＝C2(：，N)，重复加密步骤：