基于双向螺旋交叉变换的彩色图像加密方法

技术领域

本发明涉及一种信息加密技术，具体是涉及一种彩色图像加密方法。

背景技术

数字图像作为多媒体数据的重要表现形式之一，被广泛地应用于人们的日常生活当中。5G时代的到来，进一步促进了图像在金融、军事、医疗、交通等领域的应用。随着云计算技术的发展，很多图像信息都是通过云平台计算和存储的。然而，通过公共渠道传输多媒体数据或将其存储到公共云服务器上，存在非法窃取、拦截或未经授权访问等威胁。因此，保证图像在存储和传输过程中的安全变得至关重要。

图像具有直观、生动、形象、信息量大、相邻像素相关性高和冗余度高等特征。为保证图像在传输和存储过程中的安全，研究人员提出了多种图像加密方法。然而，目前的图像加密方法往往存在加密效率低或安全性弱等问题。

为保证图像的安全和提高加密效率，提出了一种基于双向螺旋交叉变换的彩色图像加密方法。另外，提出了一个具有简单数学结构的三维极端多稳态混沌系统；同时，提出了一个双向螺旋交叉变换用来置乱图像中的像素；最后，提出了一种查表方法，用来快速求出DNA运算的结果。该图像加密方法不仅能够保证图像的安全，同时也能提高图像的加密效率。

发明内容

本发明的目的：针对现有的彩色图像加密方法存在加密效率低或安全性弱等问题，提出了一种基于双向螺旋交叉变换的彩色图像加密方法。

本发明的技术方案：为实现上述发明目的，采用的技术方案为基于双向螺旋交叉变换的彩色图像加密方法，加密步骤详述如下：

步骤1：R

步骤2：产生混沌序列：根据外部密钥

其中，⊕是异或运算符，

步骤3：动态四进制DNA编码：根据混沌序列

其中，

表1 四进制DNA编码规则

步骤4：DNA级置乱：对混沌序列

[

其中，

其中，

步骤5：产生混沌DNA序列：使用等式（16）可直接将混沌序列

步骤6：动态四进制DNA运算：根据混沌序列

根据

其中，

表2 四进制DNA加法和减法运算规则

表3 四进制DNA异或和同或运算规则

步骤7：动态四进制DNA解码：由混沌序列

根据解码规则向量

步骤8：生成密文图像：将向量

进一步地，所述步骤1中，双向螺旋交叉变换的步骤为：首先，第一个扫描过程是从大小为

进一步地，所述步骤5中，三维极端多稳态混沌系统的数学模型为：

其中，

进一步地，所述步骤6中，所设计的查表法，具体为：将四进制DNA加法、减法、异或和同或的运算规则事先存储在相应的表

其中，

在解密过程中，利用相同的混沌序列对加密图像进行解密操作，可恢复明文图像；解密过程是加密的逆过程。

有益效果：本发明针对目前的彩色图像加密方法存在加密效率低或安全性弱等问题，提出了一种基于双向螺旋交叉变换的彩色图像加密方法。主要贡献有以下4点：（1）提出了一个具有简单数学结构的三维极端多稳态混沌系统；（2）提出了一个双向螺旋交叉变换的置乱方法；（3）提出了一种查表方法，可以快速得到DNA运算的结果；（4）实验结果和方法分析表明：该方法加密效果良好，安全性强且高效，可实现彩色图像内容的网络传输和存储安全。

附图说明

图1：基于双向螺旋交叉变换的彩色图像加密算法流程图；

图2：对大小为6×6的矩阵使用双向螺旋交叉变换进行置乱的原理图；

图3：原始图像；

图4：加密图像。

具体实施方式

下面结合具体附图和实例对本发明的实施过程进一步详细说明。

图1是基于双向螺旋交叉变换的彩色图像加密算法的流程图。

使用的仿真软件为Matlab R2022a；选取图3所示大小为256×256×3的彩色明文图像作为实验对象，记为

步骤1：R

步骤2：产生混沌序列：令外部密钥

步骤3：动态DNA编码：由

步骤4：DNA级置乱：对

步骤5：产生混沌DNA序列：由

步骤6：动态DNA运算：由

步骤7：动态DNA解码：由

步骤8：生成密文图像：将

在解密过程中，利用相同的混沌序列对加密图像