基于动态Henon-Iterative映射和分块置乱的彩色图像加密算法

技术领域

本发明涉及加密技术领域，具体是一种基于动态Henon-Iterative映射和分块置乱的彩色图像加密算法。

背景技术

通信技术的飞速发展，给人们生活带来了极大的便利，但同时也伴随着个人隐私泄露的可能，信息网络安全也成为当下热门的话题。数字图像作为一种常用的信息传输媒介，是隐私安全主要保护对象，而保护图像数据的安全最直接有效的方法就是图像加密。DES、RSA和IDEA等都是具有极为优秀的加密算法，但这些算法一般情况下用于文本加密，针对数字图像这种数据量大、冗余度高和相关性高的特点，需要有专门的加密算法进行加密。

近年来，混沌随机序列的发展引起学者对混沌加密算法的研究，混沌因其具有内在随机性、不可预测性及对初始值的高度敏感性，使得其在图像加密算法中广泛运用。而图像加密算法对于密钥序列的随机性要求使得混沌映射成为加密算法的一种新的技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于动态Henon-Iterative和分块置乱且适用于任何大小的彩色图像加密算法。该算法利用SHA-512产生与明文相关的混沌初始值与控制参数以达到一次一密的效果；对明文图像进行补零操作得到大小为(M×N) 的图像以确保可以拆分为T个大小为(L×L)像素块，采用“块间-块内-块间”置乱的方式充分对像素位置进行打乱，正反两轮扩散以充分改变像素值，提高算法的安全性。

实现本发明目的采用如下技术方案：

为实现上述发明目的，采用的技术方案为一种基于动态Henon-Iterative和分块置乱的彩色图像加密算法步骤详述如下：

1、作为优选，本发明采用SHA-512技术生成混沌初始值，具体操作步骤如下：

步骤一：对明文图像进行SHA-512操作，得到长度为128位的密钥key，密钥为16进制字符串。

步骤二：将密钥转换为512位的二进制字符串，每64位为一组分为8组密钥值k

步骤三：令8组密钥值按照公式(1)和公式(2)所示确定本文算法中的初始值和控制参数{a

2、作为优选，本发明提供一种动态Henon-Iterative混沌映射生成混沌序列，混沌映射表达式可表示为：

其中，控制参数a∈[-0.25,1.5]，b∈[0,0.3]，u∈[3.57,4]，令b＝0.3，u＝3.99，动态Henon-Iterative映射在[-1,1]间处于满映射状态。

步骤一：将初始值x

步骤二：保留序列A0的前T个数，利用公式(4)对A0进行处理得到伪随机序列A1，用于块间置乱。

A

其中，mod()为模运算，round()为四舍五入。

步骤三：运用公式(5)对B0进行处理得到B1，并将B1重新组合成大小为(L ×L)的矩阵P，用于块内置乱。

B

其中T为分块的个数。

步骤四：将初始值x

其中abs()为取绝对值。

3、作为优选，本发明提供一种“块间-块内-块间”置乱和正反两轮非序列扩散对图像进行加密，具体实施步骤如下：

步骤一：输入大小为的彩色图像I和块的边长L，并对明文图像进行补零操作得到大小为(M×N)的明文图像I′，确保分块大小均为(L×L)，设定L的大小为 64。

步骤二：将图像I′拆分为Ir、Ig、Ib三个平面并组合成大小为(M×N×3)的矩阵S，并进行矩阵分块，每一块的大小为(L×L)。

步骤三：块间置乱。利用混沌序列A0索引排序对矩阵S进行块间排序，并根据序列A1的数值对分块矩阵进行旋转翻转，规则如表1所示：

表1分块旋转翻转规则

步骤四：块内置乱。运用混沌序列B0排序后的索引，对每一块内的像素进行块内混沌置乱。

步骤五：块间置乱。将混沌序列B1组合成矩阵P，使每一分块的像素点与P 中的元素一一对应，并根据P中的矩阵元素数值在每一块中循环移位，使像素在整个矩阵内充分置乱最终得到置乱后的矩阵Q。

步骤六：利用混沌序列C1构造矩阵W，根据公式(7)对矩阵Q进行第一轮正向非序列扩散得到矩阵G。其中W(i,j)为伪随机矩阵的像素值；Q(i,j)为置乱后矩阵的像素值；G(i,j)为正向扩散后矩阵的像素值。

步骤七：利用混沌序列D1构造矩阵S，根据公式(8)对矩阵G进行第二轮反向非序列扩散得到矩阵E。其中S(i,j)为伪随机矩阵的像素值；E(i,j)为反向扩散后矩阵的像素值。

步骤八：对矩阵E进行重塑，得到加密后的图像J。

有益效果

本发明与现有技术相比，其有益效果体现在：

(1)本发明提供SHA-512对明文图像进行处理，并将得到的一串十六进制的字符串作为混沌映射的初始值和控制参数依据，根据不同图像获得的密钥值具有差异性使得加密算法与明文本身相关；

(2)本发明使用的混沌映射为动态Henon-Iterative映射，其混沌性以及对初始值敏感性都得到提高；

(3)本发明使用“块间-块内-块间”置乱充分利用混沌序列，使得置乱能够充分改变像素的位置，且提高了加密效率；而两轮正逆方向相反的扩散算法，使得相邻像素间的相关性降低，提高了加密算法的安全性。

附图说明

图1为动态Henon-Iterative映射和分块置乱的彩色图像加密算法的流程图；

图2为动态Henon-Iterative映射的分岔图；

图3为明文图像；

图4为密文图像。

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是本方法的加密流程图。

采用的编程软件为Matlab R2017a，选取图3所示的大小为的彩色图像作为原始图像I。采用本方法，对原始图像加密的详细过程描述如下。

步骤一：输入明文图像以及系统参数，通过SHA-512操作获取混沌系统初始值，作为加密算法的密钥。

步骤二：输入密钥值，代入混沌映射中，生成两组混沌序列并进一步处理。

步骤三：将明文图像拆分为T个大小为(L×L)，根据混沌序列进行旋转翻转和“块间-块内-块间”置乱。

步骤四：使用式(7～8)完成对置乱数组的两轮正逆方向相反的非序列扩散算法，得到最终的图像加密图像，如图4所示。