[发明专利]一种应用于隐私保护的混沌医学图像加密方法

摘要

本发明一种应用于隐私保护的混沌医学图像加密方法，属于图像加密技术领域，该方法由三个独立的logistic混沌映射驱动，在置乱阶段，图像中的每一个像素点与另外一个像素点进行交换，而目标像素点的位置由两个logistic混沌映射产生；扩散阶段所使用的密钥流由第三个logistic映射产生；在密钥流生成过程中，每一个密钥流元素均在明文像素控制下进行循环移位操作，以达到密钥流与明文相关的目的；本发明提出的医学影像加密方法，其置乱效果与置乱速度综合性能优于现有置乱方法，加密系统整体速度显著优于现代密码学中常见的分组加密方法；密码学分析结果表明，本发明所提出的加密方法可有效抵御各类常见的攻击手段。

主权项

一种应用于隐私保护的混沌医学图像加密方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、建立三个logistic混沌映射，设定三个logistic混沌映射的控制参数，使logistic混沌映射工作在满射状态，并由加密者设置加密系统的密钥；所述的三个logistic混沌映射如公式(1)～(3)所示：x_n+1＝rx_n(1‑x_n)                    (1)x′_n+1＝rx′_n(1‑x′_n)                    (2)x″_n+1＝rx″_n(1‑x″_n)                    (3)其中，r表示logistic混沌映射的控制参数，取值为4；x_n表示第一logistic混沌映射的第n次迭代的状态变量值，x_n∈[0，1]，其初始值为x₀，x_n+1表示第一logistic混沌映射的第n+1次迭代的状态变量值，x_n+1∈[0，1]；x′_n表示第二logistic混沌映射的第n次迭代的状态变量值，x′_n∈[0，1]，其初始值为x′₀，x′_n+1表示第二logistic混沌映射的第n+1次迭代的状态变量值，x′_n+1∈[0，1]，x″_n表示第三logistic混沌映射的第n次迭代的状态变量值，x″_n∈[0，1]，其初始值为x″₀，x″_n+1表示第三logistic混沌映射的第n+1次迭代的状态变量值，x″_n+1∈[0，1]；所述的加密系统的密钥为(x₀，x′₀，x″₀)；步骤2、将三个logistic混沌映射进行预迭代，预迭代次数为N₀次，N₀≥200；步骤3、根据第一logistic映射和第二logistic映射产生伪随机坐标，改变图像中每一个像素点的位置，以消除相邻像素点间的相关性，完成对明文图像的置乱处理，具体如下：步骤3‑1、在步骤2的基础上继续迭代第一logistic混沌映射和第二logistic混沌映射，并对第一logistic混沌映射的当前状态变量x_n和第二混沌logistic映射的当前状态变量x′_n进行量化，获得一个伪随机坐标；$\left\{\begin{array}{c}{m}^{\′}=\mathrm{mod}[\mathrm{round}(x_n\×{10}^{14}),M],\\ n^{\′}=\mathrm{mod}[\mathrm{round}({x^{\′}}_n\×{10}^{14}),N],\end{array}\right.,---\left(4\right)$其中，round(x_n×10¹⁴)函数表示返回x_n×10¹⁴的四舍五入值，mod(x_n×10¹⁴，M)函数表示返回x_n×10¹⁴除以M的余数；所述的伪随机坐标为(m′，n′)；M表示明文图像的宽；N表示明文图像的高；步骤3‑2、将明文图像左上角第一个像素点作为待置换像素点，将该像素点与伪随机坐标点处的像素进行交换；步骤3‑3、返回执行步骤3‑1，按照自左向右、自上向下的方向对明文图像中其他像素点进行置换处理，直到明文图像中所有的像素点按指定顺序完成交换；步骤4、根据第三logistic映射对置乱后的图像进行扩散操作，改变图像中每个像素点的像素值，并将每个像素点的影响扩散至整个密文图像，具体如下：步骤4‑1、在步骤2的基础上继续迭代第三logistic混沌映射，对第三logistic混沌映射的当前状态变量x″_n进行量化，得到一个密钥流元素；当前密钥流元素计算公式如下：k_n＝mod[round(x″_n×10¹⁴)，2^L]          (5)其中，L表示图像的色彩深度；k_n表示当前密钥流元素；步骤4‑2、根据当前像素点的前一个点的明文值，对获得的密钥流元素进行循环左移，使密钥流与明文相关；即将密钥流元素k_n循环左移(p_n‑1mod L)位，其中，p_n‑1表示当前像素点的前一个点的明文值；若当前像素点为第一个明文像素点时，明文值p_n‑1的初始值p₀取值范围为[0，2^L]；步骤4‑3、根据获得的密钥流元素对当前像素点进行加密；加密公式如下：$c_n=k_n\⊕\left\{\right[p_n+k_n\left]\mathrm{mod}{2}^L\right\}\⊕c_{n-1}---\left(6\right)$其中，p_n表示当前像素点的像素值，c_n表示输出的密文像素值；c_n‑1表示前一个已加密点的密文像素值，c_n初始值为c₀，取值范围为[0，2^L]，表示按位异或操作；对于公式(6)的解密公式如下：$p_n=[k_n\⊕c_n\⊕c_{n-1}+2^L-k_n]\mathrm{mod}{2}^L.---\left(7\right)$步骤4‑4、返回执行步骤4‑1，直至按照指定顺序完成图像中所有的像素点的扩散操作；步骤5、根据实际安全级别要求，反复执行步骤1至步骤4，进行多轮加密。