基于Markov分割的混沌系统与3DES结合的图像加密和解密方法与流程

基于markov分割的混沌系统与3des结合的图像加密和解密方法
技术领域
1.本发明涉及图像加密和解密markov分割技术领域，具体涉及基于markov 分割的混沌系统与3des结合的图像加密和解密方法。


背景技术：

2.近年来，信息安全越来越受到人们的重视，任何人都可以通过网络轻松 获取其他人的信息，特别是通过普通pc机获取图像、音乐、动画等。网络上 保存和传输的图像数据量越来越大，图像信息的保密性成为一个突出问题， 而加密算法可以保证仅授权用户才能获知图像信息，从而实现对图像信息的 保密。图像数据的加密解密规则是，将图像数据以明文的身份被保存下来， 设置密钥，通过加密算法实现加密，完成传输后，使用对应的解密算法对传 输后的数据进行解密，得到结果，实现安全传输。传统的加密算法如数据加 密标准des、高级标准aes、国际数据加密算法idea等是基于文本设计的， 将其用在图像加密算法上并不合适。图像数据加密技术的难度高在于，相比 文本数据，数据样本多、冗余度高、像素邻域内相关性强等特点被用于描述 图像数据，因此图像在加密时效率低、可逆性弱，除此之外，入侵者还可以 基于图像数据样本量进行分析。为解决这一问题，利用混沌的加密算法正吸 引越来越多的注意。目前，混沌密码算法存在的问题主要有三方面：首先， 混沌系统的极限分布不均匀而可能被破译者发现其缺点，其抗差分攻击能力 弱；其次是算法结构缺陷使其不能抵抗选择密文攻击cca攻击或选择明文攻 击cpa攻击等；最后，算法性能的优化问题，构造的算法结构过于复杂而造 成加密和解密效率不高。


技术实现要素：

3.针对现有技术所存在的上述缺点，本发明的第一目的在于提供基于markov分割的混沌系统与3des结合的图像加密和解密方法，使用具有markov 分割性质的混沌系统参数生成彩色图像的置换矩阵和加密密钥流，并结合使 用3des加密算法增加破译复杂度，传输完成后，再使用对应的解密规则进行 解密，并对解密后的数据进行还原操作，将恢复后的图像数据保存为原图像 格式，实现图像加密的传输以及图像复原操作。计算简单，安全性高，具有 良好的应用前景。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
5.基于markov分割的混沌系统与3des结合的图像加密和解密方法，包括 以下步骤：
6.s1、择混沌系统参数λ(为质数)和σ，耦合格子系统阶数m和耦合轨道 分配的权重e；
7.s2、根据耦合格子系统阶数m选择迭代系统的初始值，生成迭代初始值；
8.s3、根据输入的明文图像尺寸直接用于加密图像的迭代操作；
9.s4、将置换后的图像记为数据流的形式；
10.s5、将生成的数据流依次输入两轮迭代系统；
11.s6、采用3des的ecb模式生成generator，采用pkcs5 padding填充方 式；
12.s7、解密操作；
13.s8、图像的置乱操作可逆，最后利用置乱矩阵可直接恢复图像，并将恢 复的图像保存为原图像格式，实现图像加密的传输以及接收端的复原操作。
14.本发明进一步设置为：所述s2的具体操作步骤为：根据耦合格子系统阶 数m选择迭代系统初始值为(x1,x2,...,xm),密钥为(x1,x2,...,xk)，此处x
t
(t＝1,...,m) 仅表示与x
t
(t＝1,...,m)区别，通过[0,1]上均匀分布的真随机数rnd扰动密钥， 生成迭代初始值xi＝xi rnd(i＝1,2...,m)，引入真随机数可达到一次一密的效果， 迭代过程中产生的密钥流需要量化为字节流mn＝floor(gn×
256)。
[0015]
本发明进一步设置为：所述s3的具体操作步骤为：根据输入的明文图像 尺寸s(p
×
q)生成密钥流的长度l＝2
×
p
×
q，记为m1,m2,...,m
l
，其中用于消除系统初始迭代时的震荡和 构造置换矩阵，舍弃前16个数值，然后依次产生p个和q个不同的整数序列 构成两个置换λ
p
和λq，将生成的置换矩阵记为λ
rc
(i)＝λ
p
oλq(i)，后半部分密钥 记为直接用于加密图像的迭代 操作。
[0016]
本发明进一步设置为：所述s4的具体操作步骤为：初始明文图像记为 i＝(i
ij
)
p
×q，置换操作后的图像为λ＝(λ
ij
)
p
×q＝λ
rc
(i)，将置换后的图像记为数据 流的形式即为(p1,p2,...,p
t
,...,ps)，其中p
t
＝λ
ij
，t＝(i-1)
×
p j,1≤t≤s。
[0017]
本发明进一步设置为：所述s5的具体操作步骤为：将生成的数据流依次 输入两轮迭代系统表示如式(1)和(2)，经过此两轮操作后产生的密文为 (d1,d2,...,d
t
,...,ds)，这里的c0为迭代系统的启动参数，它作为密钥由密钥文件 提供；
[0018][0019][0020]
本发明进一步设置为：所述s6的具体操作步骤为：采用3des的ecb模 式生成generator，采用pkcs5 padding填充方式，使用第一层密钥对 (d1,d2,...,d
t
,...,ds)进行encrypt加密，得到s-1；然后使用第二层密钥对s-1 进行decrypt解密，得到s-2；再使用第三层密钥对s-2进行encrypt加密， 最后得到三层加密后的数据。
[0021]
本发明进一步设置为：所述s7的具体操作步骤为：解密操作为加密过程 的逆向操作，先逆序使用3des的密钥解密，再由解密得到的(d1,d2,...,ds)计算 (c1,c2,...,cs)，然后再恢复明文(p1,p2,...,ps)。
[0022]
有益效果
[0023]
采用本发明提供的技术方案，与已知的公有技术相比，具有如下有益效 果：
[0024]
(1)、使用具有markov分割性质的混沌系统参数生成彩色图像的置换 矩阵和加密
密钥流，并结合使用3des加密算法增加破译复杂度，传输完成后， 再使用对应的解密规则进行解密，并对解密后的数据进行还原操作，将恢复 后的图像数据保存为原图像格式，实现图像加密的传输以及图像复原操作。 计算简单，安全性高，具有良好的应用前景；
[0025]
(2)、解决了将文本加密算法3des用在图像加密上的问题；
[0026]
(3)、提出了markov分割的混沌系统与3des结合的图像加密和解密策 略，增强了图像传输的可靠性和安全性。
附图说明：
[0027]
图1为本发明的密钥流生成过程图；
[0028]
图2为本发明的3des加密过程图。
[0029]
具体实施方式
[0030]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明 实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发 明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普 通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于 本发明保护的范围。
[0031]
参考图1-2，结合实施例对本发明作进一步的描述。
[0032]
基于markov分割的混沌系统与3des结合的图像加密和解密方法，包括 以下步骤：
[0033]
1)选择混沌系统参数λ(为质数)和σ，耦合格子系统阶数m和耦合轨 道分配的权重e；
[0034]
2)根据耦合格子系统阶数m选择迭代系统初始值为(x1,x2,...,xm),密钥为 (x1,x2,...,xk)，此处x
t
(t＝1,...,m)仅表示与x
t
(t＝1,...,m)区别，通过[0,1]上均匀分布 的真随机数rnd扰动密钥，生成迭代初始值xi＝xi rnd(i＝1,2...,m)。引入真随 机数可达到一次一密的效果，密钥流生成过程如图1所示。迭代过程中产生 的密钥流需要量化为字节流mn＝floor(gn×
256)；
[0035]
3)根据输入的明文图像尺寸s(p
×
q)生成密钥流的长度l＝2
×
p
×
q，记为 m1,m2,...,m
l
。其中用于消除系统初 始迭代时的震荡和构造置换矩阵，舍弃前16个数值，然后依次产生p个和q个 不同的整数序列构成两个置换λ
p
和λq，将生成的置换矩阵记为 λ
rc
(i)＝λ
p
oλq(i)。后半部分密钥记为 直接用于加密图像的迭代操作；
[0036]
4)初始明文图像记为i＝(i
ij
)
p
×q，置换操作后的图像为λ＝(λ
ij
)
p
×q＝λ
rc
(i)。 将置换后的图像记为数据流的形式即为(p1,p2,...,p
t
,...,ps)，其中p
t
＝λ
ij
， t＝(i-1)
×
p j,1≤t≤s；
[0037]
5)将生成的数据流依次输入两轮迭代系统表示如式(1)和(2)，经过 此两轮操作后产生的密文为(d1,d2,...,d
t
,...,ds)。这里的c0为迭代系统的启动参 数，它作为密钥由密钥文件提供。
[0038]
[0039][0040]
6)采用3des的ecb模式生成generator，采用pkcs5 padding填充方 式。使用第一层密钥对(d1,d2,...,d
t
,...,ds)进行encrypt加密，得到s-1；然后 使用第二层密钥对s-1进行decrypt解密，得到s-2；再使用第三层密钥对 s-2进行encrypt加密，最后得到三层加密后的数据，3des加密过程如图2 所示；
[0041]
7)解密操作为加密过程的逆向操作，先逆序使用3des的密钥解密，再 由解密得到的(d1,d2,...,ds)计算(c1,c2,...,cs)，然后再恢复明文(p1,p2,...,ps)；
[0042]
8)图像的置乱操作可逆，最后利用置乱矩阵可直接恢复图像，并将恢复 的图像保存为原图像格式，实现图像加密的传输以及接收端的复原操作。最 终完成彩色图像使用markov分割的混沌系统结合3des进行加密和解密的过 程，安全性能极大提升。
[0043]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前 述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其 依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术 特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱 离本发明各实施例技术方案的精神和范围。