基于logistic的大密钥空间比特置乱混沌图像加密方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN114418823A(43)申请公布日2022.04.29(21)申请号202210087103.0(22)申请日2022.01.25(71)申请人安徽大学地址230601安徽省合肥市市辖区肥西路3号(72)发明人吕皖丽王宁崔永浩张鹏佳张明凯赫子尧涂铮铮(74)专利代理机构南京华恒专利代理事务所(普通合伙)32335代理人宋方园(51)Int.Cl.G06T1/00(2006.01)权利要求书2页说明书7页附图5页(54)发明名称基于logistic的大密钥空间比特置乱混沌图像加密方法(57)摘要本发明公开一种基于logistic的大密钥空间比特置乱混沌图像加密方法，对现有logistic混沌映射公式进行改进，解决了控制参数范围受到限制的问题，增加密钥空间，从而有效的抵抗穷举攻击，还可以保留更多的原信息，并且因为利用了混沌系统对初值极端敏感，以及非线性，伪随机性等性质，使得此种加密方式有效的提高图像抵抗攻击的能力；使得经过将本发明logistic混沌系统加密后的图像，在安全性等方面有长足的进步，推动了混沌系统对图像加密方面的研究进程。CN114418823ACN114418823A权利要求书1/2页1.一种基于logistic的大密钥空间比特置乱混沌图像加密方法，其特征在于：对一维logistic混沌系统进行改进生成新的混沌系统，然后图像进行加密，具体步骤如下：步骤(1)、改进logistic混沌映射公式，即混沌映射公式(1)修改为式(2)；Xn+1＝u×Xn×(1‑Xn)(1)Xn+1＝RS(u×Xn×(1‑Xn))(2)式(2)中，u为控制参数且u≠0；式(2)通过右移函数RS(x)对式(1)中u×Xn×(1‑Xn)进行移位，将整数位全部移到小数点后，使得0≤Xn+1≤1，使得通过式(2)生成的序列处于混沌状态；步骤(2)、确定加密密钥设定7个密钥：X1、r1、X2、r2、N、Z、S；其中前四个密钥为两对改进后Logistic混沌系统的控制参数和初始值(X1、r1)(X2、r2)，N为序列值转化为二进制形式时小数点后所取的位数；f(x,y)表示输入的明文图像，大小为M×L；Z是经过式(3)计算后得到的明文相关量，S为记录获得Xn数据时其序列变异的位数；步骤(3)、对生成的序列进行一步随机选取反转，具体步骤如下：步骤(3.1)、设置控制参数u，u≠0和循环变量i，设初始值i＝0；设置Xi序列初始值X0(0<X0<1)；步骤(3.2)、将Xi代入到式(2)中得到Xi+1，接着将Xi+1移位，使得Xi+1<1，再将Xi+1转换为二进制形式(Xi+1)B；步骤(3.3)、选取一个正整数N，对(Xi)B的前N位随机选取位进行取反操作，操作是下取整，取反操作即将二进制0变为1，1变为0；步骤(3.4)、将变换完的(Xi+1)B再次转换为十进制，然后将得到的十进制小数Xi+1准备进行下一次迭代；重复步骤(3.1)至步骤(3.4)且每轮反转的位数不同，直到i＝M×L迭代结束后，得到一个长度为n的混沌序列{X1,…,Xn}，n＝M×L；将记载反转位数的S作为密钥用于图像的还原；步骤(4)、基于步骤(1)和步骤(2)所得混沌系统对图像进行加密；先使用密钥X1、r1、N和Z利用改进后的Logistics加密算法迭代Z次过渡状态，然后再迭代M×L次，生成长度为M×L的混沌序列K1＝{X1,…,Xn}；明文图像f(x,y)大小为M×L；将混沌序列K1转化为与明文图像相同大小的初步加密矩阵F1作为加密矩阵；将初步加密矩阵F1与明文图像f行比特异或操作进行初次加密，得到新的图像f:接着进行分块操作将f分成大小均等的四个部分，每个块大小为M/2×L/2，再将每块分别进行置乱‑扩散操作；将置乱‑扩散后的图像重新拼接为一块，逆时针旋转90°后，再重复上述置乱‑扩散操作得到最终加密图像fH。2.根据权利要求1所述的基于logistic的大密钥空间比特置乱混沌图像加密方法，其特征在于：置乱‑扩散的具体方法为：2CN114418823A权利要求书2/2页步骤I、产生两个待置换的位置D1和D2；位置D1为顺序位置m，m从第一个位置开始顺序往后取；位置D2步骤(1)所得混沌系统及式(4)计算得到：首先利用密钥X2、r2、N、Z在改进后Logistic系统中迭代Z次得到d，d为利用混沌系统获取位置D1，D2的中间值，计算位置D1，D2如下；步骤II、判断位置D1和D2是否被重复选取；如果D1已经被选取则顺序选取下一个位置计为m，即m＝m+1，D1＝m，同样当位置D2已经被选取时，顺序选择下一个位置作为D2；步骤III、利用比特奇偶重排和动态异或操作来扩散位置D1和D2处的像素值PCD1和PCD