基于分数阶Chen系统的无线传感网络图像数据加密方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，特别是涉及基于分数阶Chen系统的无线传感网络图像数据加密方法。

背景技术

无线传感器网络技术是物联网技术的支撑,是多学科交叉的新兴的热门技术,无线传感器网络可实现感知、数据处理、通信的功能,并且具有体积小、成本低、能耗少、无需人工值守的特点,在军事、医疗、环境监测等多个领域具有十分广阔的应用前景。随着嵌入式、传感器、无线通信技术的进步,无线传感器网络技术得到了高速的发展。但现有技术关于无线传感器网络技术的研究主要集中于硬件设计以及网络通信方面,关于信息安全的研究尚处于起步阶段,研究用于无线传感器网络的密码算法大都是将传统网络的密码算法套用在无线传感器网络环境中,真正适用于无线传感器网络的密码算法十分不足。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种结构简单、安全性好、计算及迭代效率高的基于分数阶Chen系统的无线传感网络图像数据加密方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明所述的基于分数阶Chen系统的无线传感网络图像数据加密方法，包括以下步骤：

步骤S1：分数阶Chen超混沌系统作为加密序列生成器，使用四阶龙格-库塔公式对分数阶Chen超混沌系统求解，得到变量X的迭代序列B；

步骤S2：将迭代序列B中每个元素值量化为[0,255]区间内的整数，得到整数序列B

步骤S3：将明文图像像素矩阵按序转为像素序列P，其各元素值与整数序列B

步骤S4：将密文像素值序列C的各元素位置恢复为与明文图像矩阵相同的形式，得到密文图像矩阵D，完成加密过程。

步骤S1所述的分数阶Chen超混沌系统作为加密序列生成器，使用四阶龙格-库塔公式对分数阶Chen超混沌系统迭代求解，具体为：

分数阶Chen超混沌系统方程为：

其中，a，b，c，d，r为系统参数，X、Y、Z、W表示变量，X'Y'Z'W'表示变量对时间的导数，当r取值范围在[0.085,0.789]时，系统大概率处于混沌状态，使用四阶龙格-库塔公式对分数阶Chen超混沌系统求解，经过N次迭代，N为迭代次数，得到变量X的迭代序列B。

步骤S2所述的将得到的迭代序列B中每个元素值量化为[0,255]区间内的整数，得到序列B

B

其中，函数abs(·)表示取绝对值，mod(·,256)表示对256取模，floor(·)表示向零取整函数,最终得到序列B

步骤S3所述的将明文图像像素矩阵按序转为像素序列P，转换顺序为从左至右、从上到下；其各元素值与整数序列B

其中，

步骤S4所述的将得到的密文像素值序列C的各元素位置按序恢复为与明文图像矩阵相同的形式，得到密文图像矩阵D，该矩阵D的行数与列数均需与明文图像相同。

有益效果：本发明具有如下显著优点：1、以超混沌系统迭代生成的非周期序列进行加密而替代传统的周期序列加密方法，由于加密序列是均匀分布的离散随机序列，提高了密文数据的安全性；

2、本发明提出的方法针对无线传感网络的开放式通信和前端传感节点的性能受限的特点，加密过程中采用简单快捷的按位异或运算，增强了加密算法在无线传感网络架构中的实用性。

附图说明

图1是本发明的加密方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的技术方案作详细说明。

如图1所示，本发明所述的基于分数阶Chen系统的无线传感网络图像数据加密方法，包括以下步骤：

步骤S1：分数阶Chen超混沌系统作为加密序列生成器，使用四阶龙格-库塔公式对分数阶Chen超混沌系统求解，得到变量X的迭代序列B；

步骤S2：将迭代序列B中每个元素值量化为[0,255]区间内的整数，得到整数序列B

步骤S3：将明文图像像素矩阵按序转为像素序列P，其各元素值与整数序列B

步骤S4：将密文像素值序列C的各元素位置恢复为与明文图像矩阵相同的形式，得到密文图像矩阵D，完成加密过程。

步骤S1所述的分数阶Chen超混沌系统作为加密序列生成器，使用四阶龙格-库塔公式对分数阶Chen超混沌系统迭代求解，具体为：

分数阶Chen超混沌系统方程为：

其中，a，b，c，d，r为系统参数，X、Y、Z、W表示变量，X'Y'Z'W'表示变量对时间的导数，当r取值范围在[0.085,0.789]时，系统大概率处于混沌状态，使用四阶龙格-库塔公式对分数阶Chen超混沌系统求解，经过N次迭代，N为迭代次数，得到变量X的迭代序列B。

步骤S2所述的将得到的迭代序列B中每个元素值量化为[0,255]区间内的整数，得到序列B

B

其中，函数abs(·)表示取绝对值，mod(·,256)表示对256取模，floor(·)表示向零取整函数,最终得到序列B

步骤S3所述的将明文图像像素矩阵按序转为像素序列P，转换顺序为从左至右、从上到下；其各元素值与整数序列B

其中，

步骤S4所述的将得到的密文像素值序列C的各元素位置按序恢复为与明文图像矩阵相同的形式，得到密文图像矩阵D，该矩阵D的行数与列数均需与明文图像相同。

由于混沌系统具有结构简单、计算及迭代效率高的特点,因此以此为基础,构建安全高效的密码算法,不但能够将其作为现有密码技术的一个补充，还能作为一种轻量级方案，有效解决资源受限的嵌入式平台上的安全问题。