[发明专利]一种采用忆阻混沌系统的多重图像变形图像加密方法

说明书

本发明提供新型超宽范围忆阻混沌系统与多重图像变形图像加密方法，S1：采用绝对值忆阻器模型，构造超宽范围忆阻混沌系统，产生两种二涡卷吸引子和一种心形吸引子；S2：分析S1所构造的忆阻混沌系统的动力学行为；S3：结合S1所构造的忆阻混沌系统，设计具有多重图像变形的图像加密算法；本发明结合了新兴的忆阻器件来设计混沌系统，得到的新系统的混沌参数范围可达(0,10⁷]，并且能在超大的范围内保持混沌状态的稳定。这种特性使得该系统非常适合用于密码学中；本发明中设计的图像加密算法与明文图像关联极强，有优秀的抗已知明文攻击和选择明文攻击的能力；本发明中设计的图像加密算法可以适用于各种尺寸，各种类型的明文图像，普适性强。

技术领域

本发明涉及一种图像加密方法，尤其涉及一种新型超宽范围忆阻混沌系统与多重图像变形图像加密方法，属于非线性混沌系统以及图像加密技术领域。

背景技术

得益于现代移动通信超高的传输速度和无线网络的普及，我们的日常生活被大量的多媒体信息所环绕。然而，这种传输通道是开放的、共享的，因此带来了日益加剧的信息安全问题，不但涉及到个人隐私，还包括金融、医疗和军事等多种方面。在人们探索如何保护信息安全的过程中，提出了AES、DES等经典的加密算法。但是随着研究的深入，学者们发现图像这种高数据量、高冗余性和高像素间相关性的信息载体不适用于传统的加密算法。混沌系统是一类具有内在随机性的、不可预测并且对初始值的变化极端敏感的非线性系统，这种独特的性质使混沌系统在密码学中有着广泛的应用。

自2008年HP实验室成功实现了TiO₂物理忆阻器以来，忆阻器件引起了学者的广泛关注。忆阻器是一种描述电荷量和磁通量之间的关系的带有记忆功能的新型电子元件。由于忆阻器具有独特的非线性特性，使其可以在电子电路中产生振荡行为，从而开辟了混沌系统研究的新方向。基于忆阻器件构造的混沌系统，其动力学行为更加复杂且随机行为更难预测，将其应用到密码学中，可以进一步提高通信的安全性和可靠性。

混沌图像加密算法是一种用混沌系统产生的伪随机序列对图像像素进行置乱和扩散的技术。现有的算法中采用的混沌系统有着参数和初始值范围小、混沌状态不稳定的缺点，这样就减弱了密钥空间的扩展性；此外，由于计算机精度的限制，在迭代过程中容易误入非混沌状态的区域，从而失去混沌系统的初值敏感性的价值。所以，需要设计一种参数范围大的混沌系统和安全性高的图像加密方案。

发明内容

本发明针对现有的设计缺陷，提供一种新型超宽范围忆阻混沌系统与多重图像变形图像加密方法，解决了用于密码学中的混沌系统参数范围小且混沌状态不稳定的问题，不仅对明文图像的细微差异非常敏感，而且具有较高的普适性和安全性。

本发明的目的是这样实现的：

S1：采用绝对值忆阻器模型，构造超宽范围忆阻混沌系统，可以产生两种二涡卷吸引子和一种心形吸引子。

S2：分析S1所构造的忆阻混沌系统的动力学行为。

S3：结合S1所构造的忆阻混沌系统，设计具有多重图像变形的图像加密算法；加密实现步骤为：

S31：输入明文图像P，大小为m×n×3。设置密钥为K＝(x₀,y₀,z₀,w₀,N₀)，其中 x₀,y₀,z₀,w₀是S1中忆阻混沌系统的初始值，N₀是为了消除混沌序列的暂态效应而舍弃的元素的个数。

S32：将明文图像P的分解成P_R、P_G和P_B三个通道图层，并计算每个图层的像素和，以用来处理混沌迭代值。

S33：设置忆阻混沌系统的迭代次数和迭代步长，将S1中的忆阻混沌系统离散化得到混沌序列x,y,z,w。