一種基于3D BackterialGrowth迷宮的數(shù)字置亂方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于3D BackterialGrowth迷宮的數(shù)字置亂方法，預(yù)先對BackterialGrowth迷宮生成區(qū)域進行人為限定，從而可用于人為指定的任意3D封閉連通區(qū)域，同時按迷宮節(jié)點更新順序?qū)γ詫m設(shè)定區(qū)域的每個節(jié)點賦予唯一的編號，由此產(chǎn)生迷宮設(shè)定區(qū)域所有節(jié)點的排列，在此基礎(chǔ)上構(gòu)造了基于3D BackterialGrowth迷宮節(jié)點更新序列和節(jié)點更新序列復(fù)合的置亂方法，從而可將所有節(jié)點置亂。本發(fā)明所給出的置亂方法具有普適性和靈活性，在使用過程中不存在任何限制，不僅能應(yīng)用于傳統(tǒng)置亂方法所針對的規(guī)則區(qū)域，例如正方形和矩形區(qū)域，也可用于任意選定的3D封閉連通不規(guī)則區(qū)域置亂。本發(fā)明也給出了用于圖像位面立方體，RGB立方體和RGB通道立方體的圖像置亂方法。
【專利說明】-種基于3D Backter i a I Growth迷宮的數(shù)字置亂方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明主要涉及信息安全和數(shù)字信號處理等交叉研究領(lǐng)域，具體為 基于BackterialGrowth迷宮生成策略的數(shù)字置亂方法，特別涉及一種基于3D BackterialGrowth迷宮的數(shù)字置亂方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，伴隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的圖像在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，在給用 戶提供方便的同時，也帶來了一系列的安全隱患。對圖像的不當使用和惡意篡改，不僅涉及 個人隱私，也會給社會帶來嚴重負面影響。保障圖像的核心技術(shù)是數(shù)字圖像加密。
[0003] 在數(shù)字圖像加密領(lǐng)域，研究最為廣泛和靈活的一類圖像加密方法，就是在同一空 間內(nèi)，對圖像的重編碼技術(shù)，即圖像置亂技術(shù)。
[0004] 隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字圖像置亂技術(shù)已成為數(shù)字安全傳輸和保密的主 要手段。其基本思路就是把一幅圖像經(jīng)過一定的數(shù)學變換，轉(zhuǎn)變成面目全非的另一幅圖像， 以起到對圖像的安全保密作用。
[0005] 數(shù)字圖像置亂也是目前隱密術(shù)、數(shù)字水印、信息分存和可視密碼技術(shù)中，一項關(guān)鍵 預(yù)處理技術(shù)。已受到國內(nèi)外學者的普遍重視，并取得豐碩的研究成果。
[0006] 數(shù)字圖像置亂最初來源于有線電視信號加密，早期的置亂在位置空間進行，用于 對圖像像素位置打亂，這些置亂方法包括行倒置置亂、行平移置亂、行置換置亂、行循環(huán)置 舌U行分量切割置亂等。隨著置亂技術(shù)的不斷發(fā)展，目前已提出的置亂方法多種多樣，既可 用于位置置換，也可用于灰度替代。
[0007] 當前已提出的置亂方法主要有：基于離散元素序列的置亂方法、基于掃描路線的 置亂方法、基于遍歷矩陣的置亂方法、基于迭代函數(shù)系統(tǒng)的置亂方法、基于離散混沌映射的 置亂方法、基于中國拼圖的置亂方法和基于矩陣變換的置亂方法等。
[0008] 目前盡管已提出了多種置亂方法，但傳統(tǒng)置亂方法大多只能用于規(guī)則區(qū)域置亂， 例如正方形和長方形區(qū)域，而不能對圖像選定的任意不規(guī)則區(qū)域進行置亂。
[0009] 例如基于Fibonacci序列和Lucas序列的置亂方法將置亂圖像的寬、高拘泥為 Fibonacci序列和Lucas序列元素；基于SCAN語言和Hilbert曲線的置亂方法將置換圖像 的大小約束為2 nX2n的正方形圖像；由于并非所有圖像都存在騎士巡游路徑，由此導(dǎo)致了 基于騎士巡游的置亂方法只能用于圖像寬、高在特定尺度上的圖像；對于奇數(shù)階幻方，其置 亂圖像邊長為奇數(shù)，對于雙偶階幻方，其置亂圖像邊長為4的整數(shù)倍；由于任意階的拉丁方 并非都存在，基于拉丁方的置亂方法只能用于置亂圖像邊長為特定尺度的圖像，例如邊長 為P n且P為素數(shù)的圖像；對于離散Kolmogorov Flows Map和亞仿射變換,只能用于置亂正 方形圖像；傳統(tǒng)的基于矩陣的圖像置亂方法，其基本表示形式為X[i] = (AX[H])mod N，但由 于只有一個尺度參數(shù)N，由此決定了基于矩陣的圖像置亂方法只能用于置亂特定尺度的圖 像，例如正方形圖像或和對矩形圖像的灰度進行置亂。
[0010] 在文獻二維非等長圖像置亂變換（電子學報，2007, 35 (7) : 1290-1294)， 二維三角映射及其在圖像置亂上的應(yīng)用（Information Technology Journal，2008, 7 (I) :40-47)，二維雙尺度矩形映射及其在圖像置亂上的應(yīng)用（計 算機輔助設(shè)計與圖形學報，2009, 21 (7) : 1026-1034)和多尺度三角映射及其在 變尺度置舌L 上的應(yīng)用(International Journal of Computer Applications in Technology, 2010, 38(1-3) :74-85)，我們將 Xm = (AX[i-1])mod N 拓展為 X[i] = (AX[i-1]) modN，N為有限個尺度構(gòu)成的尺度向量，提出了 2維非等長變換存在性判據(jù)，2維雙尺度矩形 映射的特殊形式-2維三角映射，以及2維雙尺度矩形映射一般性構(gòu)造方法和多尺度三角映 射。盡管X m= (AX[H])m〇dN可用于任意矩形圖像置亂，并可對圖像位置和灰度同時置亂， 但所提出的方法只能對規(guī)則區(qū)域進行置亂，不能用于任意選定的不規(guī)則區(qū)域置亂。
[0011] 傳統(tǒng)的迷宮生成方法在人工智能和優(yōu)化計算領(lǐng)域應(yīng)用較廣，一般用于動態(tài)復(fù)雜場 景的模擬和仿真，在信息安全領(lǐng)域涉及較少，在文獻基于迷宮置換和Logistic混沌映射的 圖像加密算法（計算機應(yīng)用，2014, 34 (7) : 1902-1908)，我們探討了基于DFS迷宮節(jié)點入棧 順序和行優(yōu)先掃描順序高效產(chǎn)生置換的方法，將迷宮生成方法應(yīng)用于任意矩形圖像加密， 但所提出的方法不能應(yīng)用于圖像的任意連通不規(guī)則封閉區(qū)域加密。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供一種基于3D BackterialGrowth迷宮 的數(shù)字置亂方法，該方法可用于3D任意連通封閉區(qū)域數(shù)據(jù)置亂。
[0013] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0014] -種基于3D BackterialGrowth迷宮的數(shù)字置亂方法，包括以下步驟：
[0015] 第1步：設(shè)定迷宮初始范圍為 Sinit - OmXnXl 和迷宮有效區(qū)域3"_= (Si^k)mxnxl, 對于#/,*，|. = ^?5爾-1，/ = @?，》_!，4=0，"*,, - 1,若氣./.*迗5<紙-..，貝1』初始31，丄,=-1， 反之則標記si;j，k = 0表示該節(jié)點未訪問，若SukX)表示該節(jié)點已訪問，統(tǒng)計有效區(qū)域范圍 內(nèi)的節(jié)點數(shù)量 Numniaze = Count(Sniaze);
[0016]第 2 步：對于 eS.,r.,，！ = 0，-.·,/? -1,./ = 0，..·，《 -I，* = 0，*··,1 - 1 ,記8^· d，d = 0, 1，2, 3, 4, 5依次為節(jié)點Si, j，k的下方、右方、上方、左方、底部和頂部墻，初始化Suk. d = -1，d = 0, 1，2, 3, 4, 5, -1表示有墻，0表示無墻；
[0017] 第3步：選擇特定的隨機數(shù)發(fā)生器y = RG(X),設(shè)定隨機數(shù)發(fā)生器初始值RG. init =seed,初始化已訪問迷宮節(jié)點列表Aupdate = Φ,記當前已訪問節(jié)點數(shù)量Numvisited,Numvisited =〇 ；
[0018] 第4步：隨機選取約，標記.?Λι>Λ,^=】，將氣Μ.-加入Aupdate,即 j^upjah- Zli) > Numvisited - Numvisited+l ；
[0019] 第5步：若Numvisited < Nummaze，則循環(huán)執(zhí)行第6步?第9步；
[0020] 第6步：初始化臨時緩沖列表Ateaiip = Φ，將Ateaiip = Aupdate，按隨機數(shù)發(fā)生器隨機產(chǎn) 生 a, b e [0, Atemp. length-1]，并且滿足 gcd (a, Atemp. length) = 1，即 a 和 Atemp. length 互 素；
[0021] 第 7 步：對于每個 index = (a · i+b) modAtemp· length, i e [0, Atemp. length-1]，取 索引位置的節(jié)點 sx，y，z = Atemp. at(index);
[0022] 第8步：若sx，y，z的周圍相鄰節(jié)點 Sx+1，y，Z，SX，y+1，Z，Sx- 1，y，z，Sx，y -1，z, Sx，y，z -I，Sx，y，Z + 1 Sm_范圍內(nèi)未訪問節(jié)點，則按隨機數(shù)發(fā)生器隨機選擇I個未訪問的節(jié)點，記為Sx,，y, ^ ;
[0023] 第9步：將sx，y，jPsx,， y,，z,之間的分割墻標記為0,標記Sx,，y,， z, = 1，將 sx,，y,，z,加入 Aupdate，即 A update ^-update* add (sx,，y,，z, )，Numvisited = Numvisited+1 ;
[0024] 第10步：利用Aupdate構(gòu)造 Smaze = (Si^k)mxnxl范圍內(nèi)所有節(jié)點間的映射關(guān)系，從而 ^寸 Smaze (Si，j，0 mXnX 1 范圍內(nèi)所有節(jié)點置亂。
[0025] 作為本發(fā)明進一步優(yōu)選方案，第10步中映射方法具體包括以下步驟：
[0026] 第10. 1步：選取整數(shù)作為映射偏移量11，IlmodAupdate. length關(guān)0,將其按式（1) 規(guī)范到（-Aupdate. length, Aupdate. length)范圍內(nèi)的整數(shù)，按式⑵計算index ;
[0027] 11 = IlmodAupdate. length (I)

【權(quán)利要求】
1. 一種基于3D BackterialGrowth迷宮的數(shù)字置亂方法，其特征在于包括以下步驟： 第1步：設(shè)定迷宮初始范圍為Sinit= Omxnxl和迷宮有效區(qū)域Smaze= (Si，j，k)mXnX1，對于 約,#卜〇,…，，卜W' = 0,-U=0,…1 ,若氣,^*5^ ,則初始si;J，k = -1，反之 則標記si;j，k = 0表示該節(jié)點未訪問，若SukX)表示該節(jié)點已訪問，統(tǒng)計有效區(qū)域范圍內(nèi)的 節(jié)點數(shù)量 Numniaze = Count(Sniaze); 第2步：對于外.,/_4€足瞭，/ =()，?，/?-1,7 = 0，"，,計1,灸=0,?91-1，記士」少 =0, 1，2, 3, 4, 5依次為節(jié)點Si，」，k的下方、右方、上方、左方、底部和頂部墻，初始化Si，」， k. d =-1，d = 0, 1，2, 3, 4, 5, -1表示為有墻，0表示無墻； 第3步：選擇特定的隨機數(shù)發(fā)生器y = RG(X),設(shè)定隨機數(shù)發(fā)生器初始值RG. init = seed,初始化已訪問迷宮節(jié)點列表Aupdate =①，記當前已訪問節(jié)點數(shù)量Numvisited, Numvisited = 〇 ； 第4步：隨機選取eS，標記、善2#=1 ,將氣:加入Aupdate，艮P j^updalt I .〇 鱗V.,,.:15)，Num visited =Numvisited+1 ； 第5步：若Numvisited < Nummaze，則循環(huán)執(zhí)行第6步?第9步； 第6步：初始化臨時緩沖列表A_ = O，將A_ = Aupdate，按隨機數(shù)發(fā)生器隨機產(chǎn)生 a, b G [〇, Atemp. length-1],并且滿足 gcd (a, Atemp. length) = 1,即 a 和 Atemp. length 互素； 第 7步：對于每個 index = (a ? i+b) modAtemp. length, i G [〇, Atemp. length-1],取索引 位置的節(jié)點 sx，y，z = Atemp. at(index); 第8步：若sx，y，z的周圍相鄰節(jié)點 Sx+l，y，Z，SX，y + l，Z，Sx- 1，y，z，Sx，y -1，z，Sx，y，z -I，Sx，y，Z+1 范圍內(nèi)未訪問節(jié)點，則按隨機數(shù)發(fā)生器隨機選擇I個未訪問的節(jié)點，記為Sx,，y,，z,; 第9步：將sx，y，jPsx,，y,， z,之間的分割墻標記為0,標記sx,，y,，z, = 1，將&，y,，z, 加入Aupdate，即A update ^-update* add (sx、y、z' )，Numvisited = Numvisited+1 ; 第10步：利用Aupdate構(gòu)造 Smaze = (si j k)mXnX1范圍內(nèi)所有節(jié)點間的映射關(guān)系，從而將 Smaze - (Si, j, k) mXnX 1 范圍內(nèi)所有節(jié)點置亂。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于3D BackterialGrowth迷宮的數(shù)字置亂方法，其特征在于 第10步中映射方法具體包括以下步驟： 第10. 1步：選取整數(shù)作為映射偏移量11，IlmodAupdate. length尹0,將其按式⑴規(guī)范 至1J (_Aupdate. Ieng^Aupdate. length)范圍內(nèi)的整數(shù)，按式⑵計算 index ;
弟 10. 2 步：將 Sinit 復(fù)制為 T = (I^jk)mxnxl ; 第 10. 3 步：對于V(l;/乂 ,按式⑶將 Si，j，k 賦值給 tx，y，z ; (i，j，k) = AupdateQi), ii = 0, ...,Aupdate. Iength-I (x, y, z) =A update (kk)，kk = 0, ...，Aupdate. length-1 (3) kk = (ii+index)modAupdate. length 第 10. 4 步：輸出 T = Cti j, Jnixnxltj
3. 如權(quán)利要求1所述的基于3D BackterialGrowth迷宮的數(shù)字置亂方法，其特征在于： 選取兩個隨機數(shù)發(fā)生器y = RGci(X)，y = RG1(X)，設(shè)定隨機初始值RGci. init = Seedci, RG1. init = Seed1分別生成迷宮節(jié)點更新序列 第10步中映射方法具體包括以下步驟：
第 10. 4 步：輸出 T = Cti j, Jnixnxltj
4. 如權(quán)利要求2所述的基于3D BackterialGrowth迷宮的數(shù)字置亂方法，其特征在于， 在進行圖像置亂時，具體包括以下步驟： 第⑴步：讀取待置亂圖像的位面立方體，對于8位圖像P8，將P8. W= (W^k)mxnx8作為 Sinit，對于24位圖像，將P24. W = (Wuk)mXnXM作為Sinit，在Sinit上選取特定區(qū)域作為S maze ; 第⑵步：選取力作為迷宮的初始節(jié)點，選取隨機數(shù)發(fā)生器y = RG(X)，設(shè) 定初始值RG. init = seed和映射偏移量11 ; 第⑶步：輸出置亂后的位面立方體，對于8位圖像，將（W' uk)mXnX8寫為置亂后的 圖像，對于24位圖像，將（W' Uk)mXnXM寫為置亂后的圖像。
5. 如權(quán)利要求3所述的基于3D BackterialGrowth迷宮的數(shù)字置亂方法，其特征在于， 在進行圖像置亂時，具體包括以下步驟： 第⑴步：讀取待置亂圖像的位面立方體，對于8位圖像P8，將P8. W= (W^k)mxnx8作為 Sinit，對于24位圖像，將P24. W = (Wuk)mXnXM作為Sinit，在Sinit上選取特定區(qū)域作為S maze ; 第⑵步：選取作為迷宮的初始節(jié)點，選取隨機數(shù)發(fā)生器y = RG0(X)，y = RG1 (X)，設(shè)定初始值 RGtl. init = seed。, RG1. init = Seed1 和映射偏移量 11 ; 第⑶步：輸出置亂后的位面立方體，對于8位圖像，將（W' uk)mXnX8寫為置亂后的 圖像，對于24位圖像，將（W' Uk)mXnXM寫為置亂后的圖像。
6. 如權(quán)利要求2所述的基于3D BackterialGrowth迷宮的數(shù)字置亂方法，其特征在于， 在進行圖像置亂時，具體包括以下步驟： 第⑴步：讀取待置亂24位圖像P24的RGB立方體P24. C = (Ci，j，k)mXnX3作為Sinit，在 Sinit上選取特定區(qū)域作為Smaze ; 第⑵步：選取gIq,作為迷宮的初始節(jié)點，選取隨機數(shù)發(fā)生器y = RG(x)，設(shè) 定初始值RG. init = seed和映射偏移量11 ; 第⑶步：輸出置亂后的RGB立方體（c' i, Jnixnx3，將其寫為置亂后的圖像。
7. 如權(quán)利要求3所述的基于3D BackterialGrowth迷宮的數(shù)字置亂方法，其特征在于， 在進行圖像置亂時，具體包括以下步驟： 第⑴步：讀取待置亂24位圖像P24的RGB立方體P24. C = (Ci，j，k)mXnX3作為Sinit，在 Sinit上選取特定區(qū)域作為Smaze ; 第⑵步：選取e5"作為迷宮的初始節(jié)點，選取隨機數(shù)發(fā)生器y = RG0(X)，y = RG1 (X)，設(shè)定初始值 RGtl. init = seed。, RG1. init = Seed1 和映射偏移量 11 ; 第⑶步：輸出置亂后的RGB立方體（c' i, Jnixnx3，將其寫為置亂后的圖像。
8. 如權(quán)利要求2所述的基于3D BackterialGrowth迷宮的數(shù)字置亂方法，其特征在于， 在進行圖像置亂時，具體包括以下步驟： 第⑴步：讀取待置亂24位圖像P24的RGB通道立方體P24A =(C^)wxnxg、 和將其分別作為初始范圍筆，，在 選取特定區(qū)域作為有效區(qū)域; 第⑵步：選取作為迷宮的初始節(jié)點，選取隨 機數(shù)發(fā)生器 y = RGK(x)，y = RGg(X)，y = RGb(X)，設(shè)定初始值 RGk. init = seedK, RGg. init =seedG, RGb. init = seedB 和映射偏移量 11K, 11G, IIb ; 第⑶步：輸出置亂后的R、G、B通道立方體G = /.A XwxffxH \ - (A'_/])?師xS 和 將其寫為置亂后的圖像。
9. 如權(quán)利要求3所述的基于3D BackterialGrowth迷宮的數(shù)字置亂方法，其特征在于， 在進行圖像置亂時，具體包括以下步驟： 第⑴步：讀取待置亂24位圖像P24的RGB通道立方體A4A 、 丄^和丄一將其分別作為初始范圍S二，在 選取特定區(qū)域作為有效區(qū)域 第（2)步：選取 , 作為迷宮的初始節(jié)點，選取隨機數(shù)發(fā)生器
二see#,沢Cf irafl = 和映射偏移量 iiK，11s，iiB; 第⑶步：輸出置亂后的R、g、B通道立方體C；=(<；.上_8、Cg=(<；+.丄_ 8和 將其寫為置亂后的圖像。
【文檔編號】G06T1/00GK104361549SQ201410747723
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年12月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月8日
【發(fā)明者】邵利平, 祝瑩, 李苑夢 申請人:陜西師范大學