一种图像加密方法、系统、图像解密方法及解密系统

1.本发明涉及信息安全的技术领域，更具体地，涉及一种图像加密方法、系统、图像解密方法及解密系统。


背景技术：

2.在如今全球网络化的信息时代，信息安全受到了人们的重视，图像信息传输的安全性逐渐成为社会关注的热点。在重要的商业、科研和军事领域中，图像作为一种携带了大量信息的载体，在其进行传输的过程中，保密性极其重要。
3.图像在传输时很容易遭受第三方的拦截、窃取、篡改等攻击，因此，越来越多的数字图像需要采用高保密性的方法进行加密，以便提高存储和传送过程中的安全性，图像加密技术可分为压缩加密技术和空域加密技术，其中，压缩图像加密技术是基于某种压缩格式或压缩技术进行加密，如jpeg、算术编码、小波压缩技术等。空域图像加密技术是在未压缩的图像上进行加密，将图像看作二维数据进行操作。
4.随着超混沌系统研究热潮的掀起，到目前为止，很多空域图像加密技术是基于各类超混沌系统的加密算法。现有技术中公开了一种基于混沌和计算全息的图像分块加密方法，首先对待加密的明文图像进行三通道rgb分解，得到三幅单通道的灰度图，分别把三幅单通道的灰度图分割成大小相同的子图像，随机选取出部分子图像，通过lorenz超混沌系统生成伪随机序列，分别对子图像进行像素置乱，然后进行像素扩散，置乱和扩散操作均提高了破译的难度，然后利用计算全息中的相位复原gs算法，将剩余子图像转化为全息图，转化为全息图的过程即为另一种加密的过程，相较于单纯的依靠混沌加密而言，储存信息量大，易于在计算机系统中操作，从另一层面提高了加密操作灵活性，将像素置乱与扩散后的子图像和已全息转化的子图像拼合成一幅完整的单通道加密图像，利用三通道rgb合成，得到完整的加密图像，能够很好地保证图像信息在使用与传输过程中的保密性与安全性。然而，在该过程中，在子图像分割时，是明确性的将三幅单通道的灰度图分割成大小相同的子图像，分割后的像素之间相关性较高，加密后一旦某一像素被破解，则其它相关性的像素将很容易被破解，因此，加密性能不佳，密钥空间不大。


技术实现要素：

5.为解决当前图像加密的方式加密性能不佳以及密钥空间小的问题，本发明提出一种图像加密方法、系统、图像解密方法及解密系统，利用伪随机的分块方式，加密性能更好，密钥空间更大，使得图像在传输和使用的过程中具有更好的保密性和安全性。
6.为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
7.一种图像加密方法，所述方法包括以下步骤：
8.s1.获取待加密的原始图像；
9.s2.基于计算全息gs算法将原始图像编码为纯相位全息加密图；
10.s3.利用logistic混沌系统产生伪随机序列数组，基于伪随机序列数组生成互补
数组，并对伪随机序列数组、互补数组进行预处理，得到预处理后的伪随机序列数组及其互补数组；
11.s4.基于预处理后的伪随机序列数组及其互补数组，对纯相位全息加密图进行随机掩膜分块，得到分块子图像；
12.s5.利用logistic混沌系统对分块子图像进行按位异或运算扩散，得到置乱加密的子图像；
13.s6.将置乱加密的子图像合成完整的加密图像。
14.在本技术方案中，利用计算全息gs算法将原始图像编码为纯相位全息加密图，然后基于伪随机的分块方式，利用logistic混沌系统产生伪随机序列，并获得其互补的序列，两者对纯相位全息加密图进行分块处理，产生两张互补的子图像，避免了图像像素之间的强相关性现象，保障了各个图像像素点加密的可靠性，接着利用logistic混沌系统对分块子图像进行按位异或运算扩散，得到置乱加密的子图像，最后将置乱加密的子图像合成完整的加密图像，加密性能更好，密钥空间更大，使得图像在传输和使用的过程中具有更好的保密性和安全性。
15.优选地，基于计算全息gs算法将原始图像编码为纯相位全息加密图的过程为：
16.s21.引入与原始图像像素大小相同的随机相位矩阵，从原始图像的空域出发，将原始图像与随机相位矩阵分别作为迭代输入的振幅与相位，并设置阈值；
17.s22.对振幅和相位进行傅里叶变换，得到频域分布，然后施加频域约束，保留相位信息，振幅归一；
18.s23.对施加频域约束后的频域分布进行逆傅里叶变换，得到空域分布后，施加空域约束；
19.s24.重复执行步骤s22～s23，在执行过程中，根据目标图像与当次迭代输出图像像素结果之间的误差进行计算，在图像像素之间的相关系数大于等于阈值时，迭代终止，输出最终的纯相位全息加密图。
20.在此，考虑输入至计算机的图像数据类比于一个波函数，波函数以其振幅和相位作为典型特征，然后以输入图像的像素大小来定义随机相位矩阵的尺寸大小，将原始图像与随机相位矩阵分别作为迭代输入的振幅与相位，基于计算全息gs算法迭代演算，得到纯相位全息加密图。
21.优选地，设原始图像表示为f(x，y)，g(u，v)为待加密图像，φ(x，y)为随机相位，x，y分别为空域的横、纵坐标，u，v分别为频域的横、纵坐标，则基于计算全息gs算法将原始图像编码为纯相位全息加密图的过程满足公式：
22.f(x，y)＝f(x，y)
·
φ(x，y)
[0023][0024][0025][0026]
其中，ft为快速傅里叶变换，ift为快速逆傅里叶变换；gn(u，v)为经过第n次变换后图像在频域的坐标，fn(x，y)为经过第n次变换后图像在空域的坐标。
[0027]
优选地，利用logistic混沌系统产生伪随机序列数组，基于伪随机序列数组生成
互补数组的过程为：
[0028]
s31.引入logistic混沌系统的非线性迭代方程，设定第一组初始值，利用非线性迭代方程产生一个映射变量；
[0029]
s32.确定纯相位全息加密图的像素数量，以此作为映射变量的迭代次数，再次经过非线性迭代方程运算，生成一组初始伪随机数组；
[0030]
s33.将初始伪随机序列数组中小于等于0.5的元素赋值为0，其余的元素赋值为1，生成一组仅有0、1且位置随机的伪随机序列数组；
[0031]
s34.引入一组全部值为1的大小相同的数组，将该数组与s33的伪随机序列数组相减，得到互补数组；
[0032]
在步骤s31中，logistic混沌系统的非线性迭代方程为：
[0033]
x＝u
·
x
·
(1-x)
[0034]
其中，在第一组初始值中，u取u1，x取x1；
[0035]
对伪随机序列数组、互补数组进行的预处理为：将伪随机序列数组和互补数组做0和1归一化，将小于等于0.5的元素归为0，其余的元素归为1。
[0036]
优选地，基于预处理后的伪随机序列数组及其互补数组，对纯相位全息加密图进行随机掩膜分块时，将伪随机序列数组及其互补数组分别与纯相位全息加密图的像素做点乘计算，得到两张分块子图像。
[0037]
在此，基于伪随机的分块方式，避免了图像像素之间的强相关性现象，保障了各个图像像素点加密的可靠性。
[0038]
优选地，利用logistic混沌系统对分块子图像进行按位异或运算扩散，得到置乱加密的子图像的过程为：
[0039]
s51.引入logistic混沌系统的非线性迭代方程，设定第二组初始值、第三组初始值，利用非线性迭代方程分别产生两个不同的映射变量；
[0040]
s52.以两张分块子图像的像素数量分别作为两个映射变量的迭代次数，再分别经过非线性迭代方程的运算，生成两组随机且不相等的伪随机序列数组；
[0041]
s53.令两组伪随机序列数组与255相乘，将两组伪随机序列数组中的元素分别转变为整形数据类型且数值在0～255；
[0042]
s54.将s53之后的两组伪随机序列数组分别与两张分块子图像进行bitxor按位异或，产生置乱加密的两张子图像；
[0043]
在步骤s51中，logistic混沌系统的非线性迭代方程为：
[0044]
x＝u
·
x
·
(1-x)
[0045]
在第二组初始值中，u取u2，x取x2，在第三组初始值中，u取u3，x取x3；
[0046]
bitxor按位异或的表达式为：
[0047][0048]
其中，ci为输出的图像，c0为输入的图像，si为密码流。
[0049]
本发明还提出一种图像加密系统，所述系统包括：
[0050]
原始图像获取单元，用于获取待加密的原始图像；
[0051]
全息加密单元，基于计算全息gs算法将原始图像编码为纯相位全息加密图；
[0052]
伪随机预处理单元，用于利用logistic混沌系统产生伪随机序列数组，基于伪随
机序列数组生成互补数组，并对伪随机序列数组、互补数组进行预处理，得到预处理后的伪随机序列数组及其互补数组；
[0053]
随机掩膜分块单元，基于预处理后的伪随机序列数组及其互补数组，对纯相位全息加密图进行随机掩膜分块，得到分块子图像；
[0054]
置乱加密单元，利用logistic混沌系统对分块子图像进行按位异或运算扩散，得到置乱加密的子图像；
[0055]
加密合成单元，用于将置乱加密的子图像合成完整的加密图像。
[0056]
本发明还提出一种图像解密方法，所述方法包括以下步骤：
[0057]
sa.按图像加密时的随机掩膜分块方式，选出分块区域，将加密图像分成两张子图像；
[0058]
sb.将两张子图像进行逆按位异或运算扩散，得到置乱后的两张子图像；
[0059]
sc.将两张子图像合成一张完整的图像；
[0060]
sd.将图像进行全息图还原，获得原始图像。
[0061]
在此，与现有图像加密的解密过程不同，非选用纯粹的逆加密过程运算，对于采用随机掩膜分块方式进行分块的加密图像，首先确定分块方式，然后对应分块区域内进行加密过程的逆运算，也提现了加密性能的优越性。
[0062]
优选地，在步骤sa中，图像加密时的随机掩膜分块方式为：
[0063]
利用logistic混沌系统产生伪随机序列数组，基于伪随机序列数组生成互补数组，并对伪随机序列数组、互补数组进行预处理，得到预处理后的伪随机序列数组及其互补数组；基于预处理后的伪随机序列数组及其互补数组，对纯相位全息加密图进行随机掩膜分块，得到分块子图像。
[0064]
本技术还提出一种图像解密系统，所述系统包括：
[0065]
逆分块单元，按图像加密时的随机掩膜分块方式，选出分块区域，将加密图像分成两张子图像；
[0066]
异或置乱单元，将逆分块单元得出的两张子图像进行按位异或运算扩散，得到置乱后的两张子图像；
[0067]
解密合成单元，将两张子图像合成一张完整的图像；
[0068]
全息还原单元，将图像进行全息图还原，获得原始图像。
[0069]
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
[0070]
本发明提出一种图像加密方法、系统、图像解密方法及解密系统，首先利用计算全息gs算法将原始图像编码为纯相位全息加密图，然后基于伪随机的分块方式，利用logistic混沌系统产生伪随机序列，并获得其互补的序列，两者对纯相位全息加密图进行分块处理，产生两张互补的子图像，避免了图像像素之间的强相关性现象，保障了各个图像像素点加密的可靠性，接着利用logistic混沌系统对分块子图像进行按位异或运算扩散，得到置乱加密的子图像，最后将置乱加密的子图像合成完整的加密图像，加密性能更好，密钥空间更大，使得图像在传输和使用的过程中具有更好的保密性和安全性，在解密时，与现有加密图像的解密过程不同，非选用纯粹的逆加密过程运算，对于采用随机掩膜分块方式进行分块的加密图像，首先确定分块方式，然后对应分块区域内进行加密过程的逆运算，也提现了加密性能的优越性。
附图说明
[0071]
图1表示本发明实施例1中提出的图像加密方法的流程示意图；
[0072]
图2表示本发明实施例2中提出的图像加密系统的结构图；
[0073]
图3表示本发明实施例3中提出的图像解密方法的流程示意图；
[0074]
图4表示本发明实施例4中提出的图像解密系统的结构图。
具体实施方式
[0075]
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
[0076]
为了更好地说明本实施例，附图某些部位会有省略、放大或缩小，并不代表实际尺寸；
[0077]
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知内容说明可能省略是可以理解的。
[0078]
附图中描述位置关系的仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
[0079]
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
[0080]
实施例1
[0081]
本实施例提出一种图像加密方法，参见图1所示的流程图，该方法包括以下步骤：
[0082]
s1.获取待加密的原始图像；
[0083]
s2.基于计算全息gs算法将原始图像编码为纯相位全息加密图；在此步骤中，考虑输入至计算机的图像数据类比于一个波函数，波函数以其振幅和相位作为典型特征，然后以输入图像的像素大小来定义随机相位矩阵的尺寸大小，将原始图像与随机相位矩阵分别作为迭代输入的振幅与相位，基于计算全息gs算法迭代演算，得到纯相位全息加密图，设原始图像表示为f(x，y)，g(u，v)为待加密图像，φ(x，y)为随机相位，x，y分别为空域的横、纵坐标，u，v分别为频域的横、纵坐标，则基于计算全息gs算法将原始图像编码为纯相位全息加密图的过程满足公式：
[0084]
f(x，y)＝f(x，y)
·
φ(x，y)
[0085][0086][0087][0088]
其中，ft为快速傅里叶变换，ift为快速逆傅里叶变换；gn(u，v)为经过第n次变换后图像在频域的坐标，fn(x，y)为经过第n次变换后图像在空域的坐标。在实施时的具体过程为：
[0089]
s21.引入与原始图像像素大小相同的随机相位矩阵，从原始图像的空域出发，将原始图像与随机相位矩阵分别作为迭代输入的振幅与相位，并设置阈值；
[0090]
s22.对振幅和相位进行傅里叶变换，得到频域分布，然后施加频域约束，保留相位信息，振幅归一；
[0091]
s23.对施加频域约束后的频域分布进行逆傅里叶变换，得到空域分布后，施加空域约束；
[0092]
s24.重复执行步骤s22～s23，即反复迭代，在执行过程中，根据目标图像与当次迭代输出图像像素结果之间的误差进行计算，在图像像素之间的相关系数大于等于阈值时，
迭代终止，输出最终的纯相位全息加密图，在本实施例中，阈值设置为0.99995。
[0093]
生成纯相位全息加密图后，执行步骤s3：
[0094]
s3.利用logistic混沌系统产生伪随机序列数组，基于伪随机序列数组生成互补数组，并对伪随机序列数组、互补数组进行预处理，得到预处理后的伪随机序列数组及其互补数组；
[0095]
s4.基于预处理后的伪随机序列数组及其互补数组，对纯相位全息加密图进行随机掩膜分块，得到分块子图像；
[0096]
在本实施例中，对于步骤s3，在具体实施时，基于matlab平台，在matlab中输入logistic混沌系统的非线性迭代方程，即：
[0097]
s31.引入logistic混沌系统的非线性迭代方程，设定第一组初始值，利用非线性迭代方程产生一个映射变量；
[0098]
logistic混沌系统的非线性迭代方程为：
[0099]
x＝u
·
x
·
(1-x)
[0100]
其中，在第一组初始值中，u取u1＝4，x取x1＝0.2；即满足：
[0101]
x1＝u1·
x1·
(1-x1)
[0102]
s32.确定纯相位全息加密图的像素数量，以此作为映射变量的迭代次数，取200，再次经过非线性迭代方程运算，生成一组初始伪随机数组；
[0103]
s33.将初始伪随机序列数组中小于等于0.5的元素赋值为0，其余的元素赋值为1，生成一组仅有0、1且位置随机的伪随机序列数组；
[0104]
s34.引入一组全部值为1的大小相同的数组，将该数组与s33的伪随机序列数组相减，得到互补数组；
[0105]
对伪随机序列数组、互补数组进行的预处理为：将伪随机序列数组和互补数组做0和1归一化，将小于等于0.5的元素归为0，其余的元素归为1。
[0106]
基于预处理后的伪随机序列数组及其互补数组，对纯相位全息加密图进行随机掩膜分块时，将伪随机序列数组及其互补数组分别与纯相位全息加密图的像素做点乘计算，得到两张分块子图像，这种基于伪随机的分块方式，避免了图像像素之间的强相关性现象，实现了对纯相位全息加密图的分块处理，保障了各个图像像素点加密的可靠性。
[0107]
s5.利用logistic混沌系统对分块子图像进行按位异或运算扩散，得到置乱加密的子图像；
[0108]
过程为：
[0109]
s51.引入logistic混沌系统的非线性迭代方程，设定第二组初始值、第三组初始值，利用非线性迭代方程分别产生两个不同的映射变量；logistic混沌系统的非线性迭代方程为：
[0110]
x＝u
·
x
·
(1-x)
[0111]
在第二组初始值中，u取u2＝4，x取x2＝0.3，在第三组初始值中，u取u3＝4，x取x3＝0.4，即：
[0112]
x2＝u2·
x2·
(1-x2)
[0113]
x3＝u3·
x3·
(1-x3)
[0114]
这里在初始值的取值上，无论是随机分块过程还是置乱扩散过程，三组初始值均
是不同的。
[0115]
s52.以两张分块子图像的像素数量分别作为两个映射变量的迭代次数，再分别经过非线性迭代方程的运算，生成两组随机且不相等的伪随机序列数组；
[0116]
s53.令两组伪随机序列数组与255相乘，将两组伪随机序列数组中的元素分别转变为整形数据类型且数值在0～255；
[0117]
s54.将s53之后的两组伪随机序列数组分别与两张分块子图像进行bitxor按位异或，产生置乱加密的两张子图像；
[0118]
bbitxor按位异或的表达式为：
[0119][0120]
其中，ci为输出的图像，c0为输入的图像，si为密码流。
[0121]
s6.将置乱加密的子图像合成完整的加密图像。
[0122]
在本实施例中，利用matlab的combine函数将置乱加密的子图像拼合成一块完整的加密图像。
[0123]
实施例2
[0124]
如图2所示，本实施例提出了一种图像加密系统，参见图2，所述系统包括：
[0125]
原始图像获取单元，用于获取待加密的原始图像；
[0126]
全息加密单元，基于计算全息gs算法将原始图像编码为纯相位全息加密图；
[0127]
伪随机预处理单元，用于利用logistic混沌系统产生伪随机序列数组，基于伪随机序列数组生成互补数组，并对伪随机序列数组、互补数组进行预处理，得到预处理后的伪随机序列数组及其互补数组；
[0128]
随机掩膜分块单元，基于预处理后的伪随机序列数组及其互补数组，对纯相位全息加密图进行随机掩膜分块，得到分块子图像；
[0129]
置乱加密单元，利用logistic混沌系统对分块子图像进行按位异或运算扩散，得到置乱加密的子图像；
[0130]
加密合成单元，用于将置乱加密的子图像合成完整的加密图像。
[0131]
该系统利用计算全息gs算法将原始图像编码为纯相位全息加密图，然后基于伪随机的分块方式，利用logistic混沌系统产生伪随机序列，并获得其互补的序列，两者对纯相位全息加密图进行分块处理，产生两张互补的子图像，避免了图像像素之间的强相关性现象，保障了各个图像像素点加密的可靠性，接着利用logistic混沌系统对分块子图像进行按位异或运算扩散，得到置乱加密的子图像，最后将置乱加密的子图像合成完整的加密图像，加密性能更好，密钥空间更大，使得图像在传输和使用的过程中具有更好的保密性和安全性，防止被第三方拦截和破译。
[0132]
实施例3
[0133]
参见图3，本实施例提出了一种图像解密方法，该方法包括以下步骤：
[0134]
sa.按图像加密时的随机掩膜分块方式，选出分块区域，将加密图像分成两张子图像；
[0135]
sb.将两张子图像进行逆按位异或运算扩散，得到置乱后的两张子图像；
[0136]
sc.将两张子图像合成一张完整的图像；
[0137]
sd.将图像进行全息图还原，获得原始图像。此过程是计算全息gs算法的运算的逆
过程。
[0138]
与现有图像加密的解密过程不同，非选用纯粹的逆加密过程运算，对于采用随机掩膜分块方式进行分块的加密图像，首先确定该分块方式，然后对应分块区域内进行加密过程的逆运算，也提现了加密性能的优越性，因为若是采用单纯的逆过程解密，则无法解密出原始图像，若要解密出原始图像，则需要先明确随机分块的方式，在确定随机掩膜分块方式后，根据原理，进行像素置乱，对原加密过程中的矩阵再进行一次异或运算扩散。
[0139]
在步骤sa中，图像加密时的随机掩膜分块方式为：
[0140]
利用logistic混沌系统产生伪随机序列数组，基于伪随机序列数组生成互补数组，并对伪随机序列数组、互补数组进行预处理，得到预处理后的伪随机序列数组及其互补数组；基于预处理后的伪随机序列数组及其互补数组，对纯相位全息加密图进行随机掩膜分块，得到分块子图像。
[0141]
实施例4
[0142]
如图4所示，本实施例提出一种图像解密系统，参见图4，该系统包括：
[0143]
逆分块单元，按图像加密时的随机掩膜分块方式，选出分块区域，将加密图像分成两张子图像；
[0144]
异或置乱单元，将逆分块单元得出的两张子图像进行按位异或运算扩散，得到置乱后的两张子图像；
[0145]
解密合成单元，将两张子图像合成一张完整的图像；
[0146]
全息还原单元，将图像进行全息图还原，获得原始图像。
[0147]
对于采用随机掩膜分块方式进行分块的加密图像，首先确定该分块方式，然后对应分块区域内进行加密过程的逆运算，也提现了加密性能的优越性，因为若是采用单纯的逆过程解密，则无法解密出原始图像，若要解密出原始图像，则需要先明确随机分块的方式，在确定随机掩膜分块方式后，根据原理，进行像素置乱，对原加密过程中的矩阵再进行一次异或运算扩散。
[0148]
显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。