[发明专利]一种轻量级超混沌快速图像加密算法

说明书

本发明提供一种轻量级超混沌快速图像加密算法，首先量化编排超混沌系统，快速产生与图像尺寸相同的四个轮密钥矩阵；然后在明文图像上，通过四个方向的并行分组链接加密完成像素信息的高效扩散，产生几乎毫无关联的密文图像。本发明能够有效抵御统计分析攻击，选择明(密)文攻击，穷举攻击等常见的密码学攻击手段，且整体时间复杂度仅为线性阶O(M+N)，在大数据量实时图像保密通信等场合具有更高的实用价值。

技术领域

本发明涉及一种图像加密算法，具体涉及一种轻量级超混沌快速图像加密算法。

背景技术

加密算法是保障数据安全存储和传输的重要手段，然而针对文本数据设计的3DES和AES等加密算法很难安全高效地加密二维结构、大数据量和高冗余度的图像数据。对初值变化敏感的混沌系统能够产生优良的长周期随机序列，符合密码设计的混淆和扩散规则，在新型图像加密算法设计中得到了广泛应用。

尽管Arnold变换，Baker变换和像素平移等算法能够通过像素位置的快速置乱隐藏图像视觉信息，但唯置乱算法却很难抵御选择明(密)文等现代密码分析技术。因此研究人员正致力于使用混沌序列尤其是设计高效的像素扩散方法，这其中超混沌序列凭借更强的不可预测性、更长的生成周期和更大的密钥空间在安全性较高的图像加密方案中的到了广泛使用。

Gao TG,Chen ZQ.A new image encryption algorithm based on hyper-chaos[J].Physics Letters,A,2008,372(4):394-400.首先提出的置乱-扩散的超混沌图像加密框架，近年来出现了很多优秀的改进方案。李德奎.超混沌系统的函数投影同步在图像加密中的应用[J].北京工业大学学报,2019,45(1):24-32.利用正反两轮扩散增强算法的明文敏感性，逐像素的扩散过程导致加密速度较慢。Yuan H M,Liu Y,Lin T,et al.A newparallel image cryptosystem based on 5D hyper-chaotic system[J].SignalProcessing Image Communication,2017,52:87-96.引入并行扩散策略提高算法的运行效率，但是过于复杂的设计导致实际效果并不理想。SezginAnovel parallel image encryption algorithm based on chaos[J].ClusterComputing,2019,22(4).则将图像分块后实现并行扩散过程，但是缺乏子块间的扩散策略导致该算法存在安全隐患。此外，超混沌系统相比低维混沌系统，序列生成速度相对较慢，而且都需要产生与像素个数等量的超混沌序列用于扩散过程，导致算法整体的时间复杂度居高不下。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种轻量级超混沌快速图像加密算法，能够有效抵御统计分析攻击，选择明(密)文攻击，穷举攻击等常见的密码学攻击手段，且整体时间复杂度仅为线性阶O(M+N)，在大数据量实时图像保密通信等场合具有更高的实用价值。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种轻量级超混沌快速图像加密算法，首先量化编排超混沌系统，快速产生与图像尺寸相同的四个轮密钥矩阵；然后在明文图像上，通过四个方向的并行分组链接加密完成像素信息的高效扩散，产生几乎毫无关联的密文图像。

其中，所述超混沌系统为Hyper-Chen超混沌系统，方程如式(1)所示：

其中，所述的轻量级超混沌快速图像加密算法中，设明文图像的尺寸为M×N(M≤N)，轮密钥矩阵的具体生成步骤如下：

(1.1)超混沌系统预迭代Pre₁次，增强序列对系统初值的敏感性，消除暂态效应，提高算法安全性；

(1.2)初始化长度为8N的空序列B；