基于沙路法则的多图像加密方法与流程

1.本发明涉及一种信息加密技术，特别是涉及一种多图像加密方法。


背景技术：

2.如今，计算机和网络技术的高速发展给人们的生活带来了翻天覆地的变化，各种数字信息被广泛地应用、传播。其中，多媒体信息特别是数字图像的应用场景涉及很多领域。图像可以承载很多隐私信息，而军事、商业等特殊领域的图像信息更是对保密性有很高的要求。由于图像在网络中传输容易被攻击者非法攻击，导致这些信息泄露和篡改，面临巨大的威胁。因此，图像加密已成为学术界和工业界的热点问题。
3.数字图像具有直观、生动、形象、信息量大、像素相关性高和冗余度高等特征。为保障图像内容的网络存储和传输安全，人们提出了多种图像加密方法。然而，目前的图像加密方法往往存在加密容量有限、加密效率低或安全性弱等问题。
4.为保护图像网络传输和存储的安全，基于沙路法则的元素连接方式定义了两种置乱模型：主对角线置乱模型和次对角线置乱模型，提出了一种基于沙路法则的多图像加密方法。该方法随机选择两种置乱模型进行置乱操作，提高了加密方法的效率和安全性。


技术实现要素：

5.本发明的目的：针对现有的图像加密方法存在加密容量有限、加密效率低或安全性弱等问题，提出一种基于沙路法则的多图像加密方法。
6.本发明的技术方案：为实现上述发明目的，采用的技术方案为基于沙路法则的多图像加密方法，令发送方为alice，接收方为bob；alice的加密步骤详述如下：步骤1：填补图像：令k幅原始图像i
11
, i
12
,
ꢀ…
, i
1k
，其大小分别为mi×
ni，i=1, 2,
ꢀ…
, k，令m=max{m1, m2,
ꢀ…
, mk}，n=max{n1, n2,
ꢀ…
, nk}，通过对i
11
, i
12
,
ꢀ…
, i
1k
的填补操作，可得k幅大小均为m
×
n的图像i
21
, i
22
,
ꢀ…
, i
2k ；步骤2：生成混沌序列：随机选取logistic映射的初始值x
10
与控制参数u1，利用公式（1）迭代1000 k次并抛弃前1000个序列值，可得一个长度为k的混沌序列x1={x
1i
}；随机选取logistic映射的初始值y
10
与控制参数u2，利用公式（1）迭代1000 kmn次并抛弃前1000个序列值，可得一个长度为kmn的混沌序列y1={y
1j
}；w
1c 1
=u(1
ꢀ‑ꢀw1c )
×w1c
，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）其中，c为正整数，wc∈(0, 1)，控制参数u∈(3.57, 4]；步骤3：混沌序列整数化：计算，x
2i =mod (floor (x
1i ×
10
14
), 2)，i=1, 2, ..., k，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）y
2j
=mod ( floor ( y
1j
×
10
14
), 256)，j=1, 2, ..., km，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）其中，mod (
·
)为取模运算函数，floor (
·
)为向下取整函数，x
1i
∈x1，y
1j
∈y1；可产生两个长度分别为k和kmn的整数混沌序列x2={x
2i
}和y2={y
2j
}；步骤4：建立置乱模型：受《线性代数》理论中著名的沙路法则的启发，将沙路法则
的元素连接方式应用于改变图像中的像素位置，分别沿主对角线连接方式和次对角线连接方式建立了两个置乱模型：主对角线置乱模型和次对角线置乱模型；步骤5：图像置乱：利用x2从建立的两个沙路置乱模型中随机选择，第i幅图像选择第f (i
2i
)个模型，如公式（4）所示，以实现i
21
, i
22
,
ꢀ…
, i
2k
的置乱，可得置乱图像i
31
, i
32
,
ꢀ…
, i
3k
；，（4）其中，f (
·
)为沙路置乱模型选择函数；步骤6：图像立体化：将i
31
, i
32
,
ꢀ…
, i
3k
组合成一个大小为m
×n×
k的三维置乱图像a；步骤7：产生三维混沌矩阵：将y2重塑成一个大小为m
×n×
k的三维混沌矩阵y3，y3=reshape (y2, m, n, k)，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（5）其中，reshape (
·
)为矩阵重塑函数；步骤8：图像立体扩散：计算，b=a
⊕
y3，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（6）其中，
⊕
为异或运算，b是一个大小为m
×n×
k的三维图像矩阵；步骤9：加密图像生成：将b转换成k个大小为m
×
n的矩阵，即为k幅加密图像i
41
, i
42
,
ꢀ…
, i
4k
。
7.进一步地，所述步骤4中，主对角线置乱模型是指：按照沙路法则主对角线连接方式改变像素位置的一种模型，具体为：在一个大小为m
×
n的矩阵中，按照沙路法则的矩阵排列模式，将矩阵的前m-1列元素增补到矩阵右侧，变成一个大小为m
×
(n m-1)的增补矩阵；增补矩阵第一行前n个元素均按照主对角线所在方向依次扫描m个像素点，可得n个长度为m的向量；将这n个向量首尾元素依次相连，排列在一起转化成一个长度为mn的大向量；将此大向量转换成一个大小为m
×
n的新矩阵，即为置乱图像。
8.进一步地，所述步骤4中，次对角线置乱模型是指：按照沙路法则次对角线连接方式改变像素位置的一种模型，具体为：在一个大小为m
×
n的矩阵中，按照沙路法则的矩阵排列模式，将矩阵的前m-1列元素增补到矩阵右侧，变成一个大小为m
×
(n m-1)的增补矩阵；增补矩阵第一行后n个元素均按照次对角线所在方向依次扫描m个像素点，可得n个长度为m的向量；将这n个向量首尾元素依次相连，排列在一起转化成一个长度为mn的大向量；将此大向量转换成一个大小为m
×
n的新矩阵，即为置乱图像。
9.在解密过程中，利用相同的混沌序列对k幅加密图像i
41
, i
42
,
ꢀ…
, i
4k
进行解密操作，可恢复出k幅原始图像i
11
, i
12
,
ꢀ…
, i
1k
；bob的解密过程是alice加密的逆过程。
10.有益效果：本发明针对目前的图像加密方法存在的加密容量有限、加密效率低或安全性弱等问题，提出一种基于沙路法则的多图像加密方法。主要贡献有以下3点：（1）根据《线性代数》理论中著名的沙路法则，建立了主对角线置乱模型和次对角线置乱模型，解决了一般置乱方法（比如zigzag变换）首尾像素位置不变的问题；（2）基于建立的两种置乱模型，提出了一种基于沙路法则的多图像加密方法；（3）实验结果和方法分析表明：新方法加密效果良好，安全性强且高效，可实现图像内容的网络传输和存储安全。
附图说明
11.图1：基于沙路法则的多图像加密流程图；图2：原始图像集；图3：大小为5
×
4矩阵的主对角线置乱模型示意图；图4：大小为5
×
4矩阵的次对角线置乱模型示意图；图5：加密图像集。
具体实施方式
12.图1是基于沙路法则的多图像加密流程图。
13.采用的编程软件为matlab r2019b，任意选取图2所示的6幅尺寸不同的灰度图像i
11
, i
12
,
ꢀ…
, i
16
作为原始图像集。采用提出的基于沙路法则的多图像加密方法，alice的加密过程详述如下。
14.步骤1：填补图像：将i
11
, i
12
,
ꢀ…
, i
16
填补成大小均为512
×
512的图像i
21
, i
22
,
ꢀ…
, i
26
。
15.步骤2：生成混沌序列：随机选取logistic映射的初始值x
10
=0.64与控制参数u1=3.86，利用公式（1）迭代1000 6次并抛弃前1000个序列值，可得一个长度为6的混沌序列x1={x
1i
}；随机选取logistic映射的初始值y
10
=0.75与控制参数u2=3.90，利用公式（1）迭代1000 512
×
512
×
6次并抛弃前1000个序列值，可得一个长度为512
×
512
×
6的混沌序列y1={y
1j
}。
16.步骤3：混沌序列整数化：按公式（2）对y
1i
进行计算，产生两个长度分别为6和512
×
512
×
6的整数混沌序列x2={x
2i
}和y2={y
2j
}。
17.步骤4：建立置乱模型：受《线性代数》理论中著名的沙路法则的启发，将沙路法则的元素连接方式应用于改变图像中的像素位置，分别沿主对角线连接方式和次对角线连接方式建立了两个置乱模型：主对角线置乱模型和次对角线置乱模型，分别如图3和4所示。
18.步骤5：图像置乱：利用x2从两个沙路置乱模型中随机选择，第i幅图像选择第f (i
2i
)个模型，如公式（4）所示，以实现i
21
, i
22
,
ꢀ…
, i
2k
的置乱，可得置乱图像i
31
, i
32
,
ꢀ…
, i
3k
。
19.步骤6：图像立体化：将i
31
, i
32
,
ꢀ…
, i
3k
组合成一个大小为512
×
512
×
6的三维置乱图像矩阵a。
20.步骤7：产生三维混沌矩阵：将y2重塑成一个大小为512
×
512
×
6的三维混沌矩阵y3。
21.步骤8：图像立体扩散：按公式（4）计算，可得一个大小为512
×
512
×
6的新三维图像矩阵b。
22.步骤9：加密图像生成：将b转换成6个大小为512
×
512的矩阵，即为k幅加密图像i
41
, i
42
,
ꢀ…
, i
4k
，如图5所示。
23.在解密过程中，利用相同的混沌序列，对加密图像集进行解密操作，可得原始图像集，同图2所示。bob的解密过程是alice加密的逆过程。