基于二維離散小波變換和時空混沌的彩色圖像無損加密方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及圖像加密領(lǐng)域，特別涉及一種基于二維離散小波變換和時空混沌的彩 色圖像無損加密方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)如今，大量的數(shù)字圖像在計算機網(wǎng)絡(luò)上便捷傳播，如何保護圖像信息，避免被非 法復(fù)制、偽造、篡改、非法訪問等成為信息安全領(lǐng)域的一個關(guān)注熱點。由于數(shù)字圖像具有數(shù) 據(jù)量大、相鄰像素相關(guān)性強等特點，傳統(tǒng)的加密算法如DES、AES、RSA等用于圖像加密時，普 遍存在著加密效率低、安全性弱等問題。研究發(fā)現(xiàn)，混沌系統(tǒng)本身具有的優(yōu)良特性非常適 合用于信息加密，因此基于混沌理論的數(shù)字圖像加密技術(shù)引起了人們的廣泛關(guān)注和深入研 究。
[0003] 現(xiàn)有的許多圖像加密算法都是基于空間域進行的，即直接對圖像像素進行加密處 理。這類方法偏重于破壞相鄰像素的相關(guān)性，但使得密文圖像不可壓縮。由于圖像數(shù)據(jù)量 普遍非常龐大，在存儲和傳輸過程中通常要對圖像進行正交變換后作編碼處理。因此，人們 考慮在進行編碼處理的過程中進行加密操作，如在離散余弦變換（DCT)域、離散小波變換 (DWT)域、傅里葉變換（FT)域上加密等。需要注意的是，基于DCT域或FT域的數(shù)字圖像加 密方法無法完全消除塊邊界的關(guān)聯(lián)性，這往往會產(chǎn)生人為的塊效應(yīng)問題，從而影響算法圖 像解密效果。而基于DWT域的數(shù)字圖像加密方法將圖像作為一個整體進行加密，不涉及圖 像分塊，從而避免了出現(xiàn)塊效應(yīng)問題。此外，DWT還具有以下優(yōu)點：具有內(nèi)在的伸縮比例和 較好的辨識性；同時在時間域和空間頻率域上具有良好的定位；比DCT具有更高的靈活性 等。因此，在DWT域上對數(shù)字圖像加密具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。
[0004] 現(xiàn)有的基于DWT域的數(shù)字圖像加密方法主要針對灰度圖像。彩色圖像比灰度圖像 包含的信息量更豐富，數(shù)據(jù)格式和表示更為復(fù)雜。因此，針對灰度圖像的加密方法并不能直 接推廣應(yīng)用于彩色圖像的加密。此外，這些算法還存在著安全性弱、感知退化、信息丟失等 問題。在一些特殊應(yīng)用行業(yè)，如醫(yī)學(xué)、生物基因、軍事等，嚴格要求加、解密圖像必須完全相 同。因此，有必要研究基于DWT域的彩色圖像無損加密方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為克服現(xiàn)有的基于DWT域的圖像加密算法的缺陷，本發(fā)明提出一種利用二維離散 小波變換和時空混沌的彩色圖像無損加密算法，該算法安全性高，加密效果好，能夠有效抵 抗統(tǒng)計攻擊、已知和選擇明文攻擊、選擇密文攻擊等。
[0006] 按照本發(fā)明所提供的設(shè)計方案，一種基于二維離散小波變換和時空混沌的彩色圖 像無損加密方法，包含如下步驟：
[0007] 步驟1.輸入大小為WXH的彩色明文圖像Itl，分離圖像^的R、G、B三基色分量， 得到大小為WXH的分量矩陣IR、IGjP IB。；
[0008] 步驟2.利用外部密鑰Key，并根據(jù)明文圖像Itl，產(chǎn)生單向耦合映像格子的系統(tǒng)參 數(shù)和初始值，對時空混沌系統(tǒng)進行迭代運算得到密鑰流1和K 2;
[0009] 步驟3.對分量矩陣1&、IGjP IB ^分別進行二維離散小波變換，得到大小為mXη 的子帶組：{LL11，LHll, HLll, ΗΗ11}、{LL21, LH21, HL21, ΗΗ21}和{LL31, LH31, HL31, ΗΗ31}， 每子帶組包含低頻子帶LL、低高頻子帶LH、高低頻子帶HL、高頻子帶HH，其中，m、η均為自 然數(shù)；
[0010] 步驟4.利用步驟2中得到的密鑰流心，對步驟3中的子帶元素 LL11、LH11、HH11、 LL21、LH21、HH21、LL31、LH31、HH31分別進行置亂處理，得到置亂后的子帶元素 LLir、 LHl廣、ΗΗ1Γ、LL2P、LH2P、ΗΗ2Γ、LL3P、LH3P、HH3廣；
[0011] 步驟 5.將子帶元素 LLll '、LHll '、HL11、LL21 '、LH21 '、HL21、LL31 '、 LH31 '、HL31的大小分別縮小mn倍，得到子帶元素 ZZTI、LHW、HLil、 LLlX 、 LHll 、 HLll、Hfl、LH3\ 、 HL31 ；
[0012] 步驟6.對子帶組 (LL11,xm \,HLll,HHl Γ}、{LL2\,LH2\,HL21HH2Y} m 丨ZZ3U//31,//131,////3 分別進行二維離散小波逆變換，得到小波加密圖像1:及 IIV IGi、IB1，其中，IRp叫和IB汾別為I亦R、G、B基色分量矩陣；
[0013] 步驟7.利用步驟2得到的密鑰流K2，對步驟6中得到的小波加密圖像I1的像素 進行擴散處理，得到密文圖像C。
[0014] 所述步驟2中對時空混沌系統(tǒng)進行迭代運算得到密鑰流&和K 2，具體包含如下步 驟：
[0015] 步驟2. L設(shè)定外部密鑰Key長度為320位，并均分40 ±夬，即Key = B1B2B3-B40, 根據(jù)單向稱合映像格子\=(丨-")[丨-+ 丨）-&·<(/+ 1.)]/2，其中，系 統(tǒng)參數(shù)a和ε為正的實數(shù)，且a e (〇，1)，ε e (〇, 2)，及明文圖像I。的分量矩陣IR。、IGtl 和IBci，計算得到系統(tǒng)參數(shù)a和ε以及初始值Xk(O) (k=l，2，···，6);
[0016] 步驟2. 2.利用步驟2. 1得到的系統(tǒng)參數(shù)a和ε以及初始值Xk(O) (k=l，2,…，6)， 迭代單向耦合映像格子t+WH次，其中，（t彡2000)，并拋棄前個值，得到6組長度為 /二+ L3"4j的實值混沛序列Xk;
[0017] 步驟2. 3.對步驟2. 2中得到的實值混沌序列Xk按照公式：X' k(i) = l〇eXXk(i )-round (10θ XXk (i))，做優(yōu)化改進，其中，（i = 1，2,…，I)，函數(shù)round (X)為返回離x最近 的整數(shù)，Θ為正整數(shù)且Θ e [4, 14];
[0018] 步驟2. 4.對序列Γ k按照如下公式：
[0019] A1 = {([^/8 J +1), ([^/8 J + 2),··； X12 {\_ΨΗβ\ + mn)} ,
[0020] λ2 ={Ζ;1·/12」+ 1)，Ζ5'1·/12」+ 2)，.··，Ζ5?Π //12」+ "?")} ，
[0021] ^ = {Z;(L 勝/16」+ 1)，ζ;([·/16」+ 2)，…,X(L紐/16」+ m?)} ，
[0022]
[0023] #2={X(1)，X:(2)，".,X(L_2」)，Z;(L_2」+ 1)，X;(L_2」+2)，.",Z;(_}，
[0024]
[0025] 到序列 λ p λ 2，λ 3和 μ p μ 2和 μ 3。
[0026] 步驟2. 5.對序列λ ρ λ 2和λ 3按升序排序，并將原序列中各元素所在的位置序號 取代重排序列中的對應(yīng)元素，得到由位置序號組成的序列AP 1, λΡ^Ρ λΡ3，并記作!^。，1) =λΡ^:)，^:，〗）=λΡ2(:)和^:。）= λΡ3(:)，得到密鑰流 K1;
[0027] 步驟2. 6.對序列μ i，μ 2和μ 3按降序排序，并將原序列中各元素所在的位置序 號取代重排序列中的對應(yīng)元素，得到由位置序號組成的序列UP 1, μΡ^Ρ μρ3，將這三個 序列分別轉(zhuǎn)換成大小為WXH的三個矩陣，將矩陣中