[发明专利]一种基于拉丁方的混沌图像加密方法

说明书

本发明提出了一种基于拉丁方的混沌图像加密方法，其步骤为：利用原始图像矩阵生成密钥，将密钥输入超混沌Lorenz系统进行得到混沌序列；截取混沌序列转换为矩阵对原始图像矩阵进行置乱；截取混沌序列生成拉丁方阵作为查找表；截取混沌序列并组成索引矩阵，利用索引矩阵从查找表中的对应坐标选取元素进行替换得到像素替换矩阵；截取混沌序列并生成拉丁方矩阵，将像素替换矩阵的位平面组成比特矩阵，利用拉丁方矩阵对比特矩阵进行比特置乱并组合为位平面矩阵，转换为十进制得到密文图像。本发明所用拉丁方阵均由混沌序列产生，增强了复杂度，提升了安全性；有效地提高了随机性、灵敏性，能够有效的抵抗差分攻击，增加了破译难度，适合实际应用。

技术领域

本发明涉及图像加密的技术领域，尤其涉及一种基于拉丁方的混沌图像加密方法。

背景技术

随着现代通信技术的迅速发展，越来越多的数字图像在社交网络上传输，这些图像携带有个人信息，因此如何保护这些私人信息成为了人们的研究热点。由于图像相邻像素之间具有强相关性和高冗余度等一些固有的特性，一些传统的加密方法如数据加密标准(DES)或高级加密标准(AES)等并不适用于对数字图像进行加密，因为传统的加密算法对数字图像进行加密时存在效率低的缺点。

当前提出的图像加密方法中，基于混沌的算法得到了广泛的应用。混沌系统的一些特性非常契合图像加密算法的开发，例如对初始条件的敏感性，不可预测性和遍历性。王兴元提出了基于一维混沌系统的图像加密方法，改善了控制参数的结构以及一维混沌系统的敏感性，提高其抵抗差异攻击的能力。周怡聪结合了两个现有的一维混沌系统，提出了一种具有更大混沌范围的一维混沌系统，提升了抵抗各种攻击的性能。然而一维混沌系统的一些固有缺陷，如结构相对简单，密钥空间较小等固有缺点难以消除。相比之下，高维混沌系统具有更复杂的动力学行为和高遍历性，因此人们提出了多种基于高维混沌系统的图像加密算法。H.Gan Z提出一种基于高维混沌的三维位平面排列的彩色图像加密算法，能够有效抵抗已知明文攻击和选择明文攻击。Wei Zhang等提出了一种新的3D位矩阵置换算法，该加密方法基于Chen系统开发了一种新的置换方式，提升了置乱过程的随机性。但该加密方法易受所选明文的影响攻击，不适用于安全通信。而且基于高维混沌的图像加密算法往往通过获取混沌序列的索引向量对图像的像素进行置乱，这些置乱方法的安全性仅仅取决于索引向量，攻击者可能通过分析密文图像与明文图像之间的关系来获得索引向量，从而导致置乱的操作无效。除了基于混沌的图像加密算法外，还有其它类型的图像加密算法，例如基于DNA的图像加密算法，S Som等提出了一种基于DNA编码和混沌系统的彩色图像加密技术，并使用广义的Arnold变换对像素位置进行置乱，但是利用Arnold变换存在迭代时间有限等缺陷。Wu X J等提出了一种基于DNA彩色图像加密算法，通过明文彩色图像中红色、绿色和蓝色成分的信息熵分别生成DNA编码规则。这种编码规则与明文图像有关，但是由于所有图像像素都具有相同的编码规则，因此随机性不足。基于遗传算法的图像加密技术有效的提高了密文图像的安全性，A.H.Abdullah等提出了一种基于遗传算法的优化方法，使用明文图像和混沌函数构造了许多加密图像，然后将这些加密的图像用作遗传算法的初始种群；在遗传算法的每个阶段，将前一次迭代获得的结果进行优化以生成最优的密文图像，从而获得具有最高香农熵和最低相关系数的密文图像。然而这种方法包括其他一些基于遗传的算法，在迭代过程中需要耗费大量时间。

近年来，由于拉丁方在加密方法中的良好表现受到了研究人员的广泛关注，拉丁方是一种具有均匀性的特殊方阵，香农首先指出了拉丁方和密码学之间的关系。拉丁方具有一些非常适合用于图像加密的良好特征：拉丁方的数量巨大，第10阶的拉丁方数约为1037，因此其密钥空间很大，可以防止暴力攻击；拉丁方具有统一的直方图，这意味着将拉丁方用于图像加密可以有效抵抗统计分析；而且拉丁方具有矩阵形式，与图像数据重合。鉴于拉丁方的良好特性，Y.Wu等提出了一种对称加密算法，设计了一种新的类似织机的2D置乱-置换网络，该网络在保持良好的混淆和扩散特性的同时，还具有额外的容错能力。H.T.Panduranga利用混沌系统和拉丁方构造图像加密算法，后来被M.Ahmad等人破解。

发明内容