[发明专利]一种基于元胞自动机的图像加密和解密方法

摘要

本发明提供一种基于元胞自动机的图像加密和解密方法，属于信息安全领域中的图像保密技术。该加密方法首先提取明文图像的像素矩阵，将像素矩阵的每一行转换为二值序列，然后采用多个元胞自动机对图像的每一行进行两轮链式循环迭代，将迭代结果转换成相应像素矩阵后得到密文图像。在每个迭代环节中，迭代次数预先设定，使用的规则号由伪随机序列发生器产生。本发明的解密过程是加密过程的逆过程，规则号使用的顺序与加密时相反。本发明的效果和益处是采用元胞自动机的链式循环迭代使得明文、密钥与密文之间具有复杂且不可预测的关系，既保证了网络传输过程中图像的安全性，又具有一定的容错能力。

主权项

1.一种基于元胞自动机的图像加密和解密方法，其特征在于：包括加密步骤和加密步骤，所述加密步骤为：提取明文图像的像素矩阵I_M×N，M是图像的宽度，N是图像的高度，均以像素计，并且N为偶数，如果不是偶数，在像素矩阵末尾补上1行，补上的像素值全为0，然后将像素矩阵的每一行转换为二进制序列，得到N个二进制序列B₁，B₂，...，B_N，每个二进制序列的长度为L＝M×D，其中D代表存储每个像素所用的二进制位数；(1)第一轮步骤1：将二进制序列B₁、二进制序列B₂分别作为加密端的第一个元胞自动机的输入1和输入2，加密端的第一个元胞自动机根据输入的规则号f₁迭代d次，产生的输出1和输出2分别为二进制序列C₁、二进制序列C₂；步骤2：将B₃和C₁异或的结果、B₄和C₂异或的结果分别作为加密端的第二个元胞自动机的输入1和输入2，加密端的第二个元胞自动机根据输入的规则号f₂迭代d次，产生的输出1和输出2分别为二进制序列C₃、二进制序列C₄；以此类推继续执行，直到将B_N-1和C_N-3异或的结果、B_N和C_N-2异或的结果分别作为加密端的第N/2个元胞自动机的输入1和输入2，加密端的第N/2个元胞自动机根据输入的规则号f_N/2迭代d次，产生的输出1和输出2分别为二进制序列C_N-1、二进制序列C_N；(2)第二轮令B₁＝C_N，B₂＝C₁，B₃＝C₂，...，B_N＝C_N-1，然后重复第一轮的迭代：步骤1：将二进制序列B₁、二进制序列B₂分别作为加密端的第一个元胞自动机的输入1和输入2，加密端的第一个元胞自动机根据输入的规则号f₁迭代d次，产生的输出1和输出2分别为二进制序列C′₁、二进制序列C′₂；步骤2：将B₃和C′₁异或的结果、B₄和C′₂异或的结果分别作为加密端的第二个元胞自动机的输入1和输入2，加密端的第二个元胞自动机根据输入的规则号f₂迭代d次，产生的输出1和输出2分别为二进制序列C′₃、二进制序列C′₄；以此类推继续执行，直到将B_N-1和C′_N-3异或的结果、B_N和C′_N-2异或的结果分别作为加密端的第N/2个元胞自动机的，加密端的第N/2个元胞自动机根据输入的规则号f_N/2迭代d次，产生的输出1和输出2分别为二进制序列C′_N-1、二进制序列C′_N，最终第二轮输出的二进制序列C′₁，C′₂，...，C′_N转换为像素矩阵I′_M×N后得到密文图像；所述解密步骤为：提取密文图像的像素矩阵I′_M×N，然后将像素矩阵的每一行转换为二进制序列，得到N个二进制序列C₁，C₂，...，C_N，每个二进制序列的长度为L＝M×D；(1)第一轮步骤1：将二进制序列C_N、二进制序列C_N-1分别作为解密端的第N/2个元胞自动机的输入1和输入2，解密端的第N/2个元胞自动机根据输入的规则号f_N/2迭代d次，产生的输出1和输出2分别与二进制序列C_N-2、C_N-3进行异或运算，从而得到二进制序列B_N、二进制序列B_N-1；步骤2：将二进制序列C_N-2、二进制序列C_N-3分别作为解密端的第N/2-1个元胞自动机的输入1和输入2，解密端的第N/21个元胞自动机根据输入的规则号f_N/2-1迭代d次，产生分别与二进制序列C_N-4、C_N-5进行异或运算，从而得到二进制序列B_N-2、二进制序列B_N-3；以此类推继续执行，直到将二进制序列C₂、二进制序列C₁分别作为解密端的第1个元胞自动机的输入1和输入2，解密端的第1个元胞自动机根据输入的规则号f₁迭代d次，产生的输出1和输出2分别为二进制序列B₂、二进制序列B₁；(2)第二轮令C₁＝B₂，C₂＝B₃，...，C_N-1＝B_N，C_N＝B₁，然后重复第一轮的迭代：步骤1：将二进制序列C_N、二进制序列C_N-1分别作为解密端的第N/2个元胞自动机的输入1和输入2，解密端的第N/2个元胞自动机根据输入的规则号f_N/2迭代d次，产生的输出1和输出2分别与二进制序列C_N-2、C_N-3进行异或运算，从而得到二进制序列B′_N、二进制序列B′_N-1；步骤2：将二进制序列C_N-2、二进制序列C_N-3分别作为解密端的第N/2-1个元胞自动机的输入1和输入2，解密端的第N/2-1个元胞自动机根据输入的规则号f_N/2-1迭代d次，产生分别与二进制序列C_N-4、C_N-5进行异或运算，从而得到二进制序列B′_N-2、二进制序列B′_N-3；以此类推继续执行，直到将二进制序列C₂、二进制序列C₁分别作为解密端的第1个元胞自动机的输入1和输入2，解密端的第1个元胞自动机根据输入的规则号f₁迭代d次，产生的输出1和输出2分别为二进制序列B′₂、二进制序列B′₁，最终第二轮输出的二进制序列B′₁，B′₂，...，B′_N转换为像素矩阵I_M×N后得到明文图像；令j＝1、2、…、N/2，第j个元胞自动机根据输入的规则号f_j迭代d次的步骤如下：(1)建立第j个元胞自动机的迭代表达式：sit+1=g(si-1t,sit,si+1t)⊕sit-1,i=1,2,...,L]]>式中为第i个元胞在t时刻的状态，为第i-1个元胞在t时刻的状态，为第i+1个元胞在t时刻的状态，为第i个元胞在t-1时刻的状态，为第i个元胞在t+1时刻的状态，状态取值为0或1；是异或运算符；g是具有3个变量的逻辑函数，当的取值分别为000，001，010，011，100，101，110，111时，对应的逻辑函数的值分别为规则号f_j中的元素k_8j-7k_8j-6k_8j-5k_8j-4k_8j-3k_8j-2k_8j-1k_8j，当i＝1时，令当i＝L时，令所述规则号f_j由伪随机序列发生器产生，该伪随机序列发生器以密钥种子K作为输入，然后输出一串长度为4N比特的二进制伪随机序列k₁k₂k₃，...，k_4N，规则号f_j取二进制伪随机序列k₁k₂k₃，...，k_4N中的k_8j-7k_8j-6k_8j-5k_8j-4k_8j-3k_8j-2k_8j-1k_8j，(2)初始化：将从第j个元胞自动机的输入1输入的长度为L的二进制序列作为t＝0时刻的第j个元胞自动机的全局状态分别表示第j个元胞自动机中t＝0时刻的各个元胞的状态值，将从第j个元胞自动机的输入2输入的长度为L的二进制序列作为t＝1时刻的第j个元胞自动机的全局状态分别表示第j个元胞自动机中t＝1时刻的各个元胞的状态值，(3)计算第j个元胞自动机t＝2时刻的全局状态方法为：第i个元胞(i＝1，2，...L)根据的取值，得到对应的逻辑函数的值，然后将该逻辑函数的值与进行异或，从而得到其中，分别表示第j个元胞自动机中t＝1时刻的第i-1，i，i+1个元胞的状态值，当i＝1时，令当i＝L时，令表示第j个元胞自动机中t＝0时刻的第i个元胞的状态值，表示第j个元胞自动机中t＝2时刻的第i个元胞的状态值，(4)计算元胞自动机t＝3时刻的全局状态方法为：第i个元胞，i＝1，2，...L，根据的取值，得到对应的逻辑函数的值，然后将该逻辑函数的值与进行异或，从而得到其中，分别表示第j个元胞自动机中t＝2时刻的第i-1，i，i+1个元胞的状态值，当i＝1时，令当i＝L时，令表示第j个元胞自动机中t＝1时刻的第i个元胞的状态值，表示第j个元胞自动机中t＝3时刻的第i个元胞的状态值，以此类推继续执行，直到计算出第j个元胞自动机t＝d时刻的全局状态和t＝d+1时刻的全局状态然后将这两个全局状态分别作为第j个元胞自动机迭代d次后的输出1的输出值和输出2的输出值，其中，分别表示第j个元胞自动机中t＝d时刻的各个元胞的状态值，分别表示第j个元胞自动机中t＝d+1时刻的各个元胞的状态值。