申请/专利权人：安徽理工大学

申请日：2022-04-07

公开（公告）日：2024-05-17

公开（公告）号：CN114928434B

主分类号：H04L9/00

分类号：H04L9/00;H04L9/32;H04N1/44

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.05.17#授权;2022.09.06#实质审查的生效;2022.08.19#公开

摘要：本发明涉及一种级联调制混沌系统和分块置乱‑扩散的多图像加密算法。该算法提出一种级联调制混沌系统CascademodulationchaoticsystemCMCS，与原映射相比CMCS具有更大的混沌范围。同时，利用CMCS提出一种分块置乱‑扩散的多图像加密算法。首先，对三张灰度图像进行SHA‑512操作产生CMCS的初始值，并将初始值代入由CMCS产生的Henon‑Sine级联映射Henon‑SinecascademapHSCM中，对灰度图像进行元素添加操作使三张图像尺寸相同，达到一次一密的效果。然后对图像进行分块操作以节省加密时间，并利用CMCS产生的Henon‑Iterative级联映射Henon‑IterativecascademapHICM进行块的跨平面置乱以及翻转旋转和块间置乱。最后，将置乱后的图像转换为二进制矩阵，根据二进制矩阵的特点将其划分为4部分，每部分采用相应的扩散算法，以此提高加密算法的安全性。实验结果和安全性分析表明，该算法不仅具有足够大的密钥空间，而且能够抵抗各种常见的攻击。

主权项：1.一种基于级联调制混沌系统和分块置乱-扩散的多图像加密算法，其特征在于：加密过程如下：步骤一:通过SHA-512算法，得到三组512位摘要值，对三组摘要值进行异或操作获取图像加密算法的密钥值，具体操作步骤如下：步骤1：对三张图像分别进行SHA-512操作，通过SHA-512生成三组512位的摘要值，设第一组摘要值为k1，第二组摘要值为k2，第三组摘要值为k3，初始值密钥k＝{x0,y0,r,b,w1,w2,w3,w4}由式1可得： 根据式2获取CMCS的初始值x0和y0，控制参数r和b，wi为干扰参数； 步骤2：根据式3获取混沌序列的初始值，其中i的取值为1-4，sum1为第一张灰度图像的像素值总和，sum2为第二张灰度图像的像素值总和，sum3为第三张灰度图像的像素值总和，sum为三张灰度图像的像素值总和，mod为模运算； 步骤二:密钥值作为级联调制混沌系统CMCS的初始值，产生加密算法过程中所需要的混沌随机序列，具体步骤如下：步骤1：首先通过线性函数fx对混沌映射Gx进行调制，然后将调制的结果作为混沌映射Fx的输入,获取CMCS，如式4，进一步改善了混沌系统的动力学特性，同时，使用级联的方法使混沌映射相互影响，使得所产生的混沌序列更复杂、随机性更强，提高了加密算法的安全性； 步骤2：根据式4，Fx选取二维Henon映射，Gx选取一维Logistic映射，利用fx＝x+b对Logistic映射进行适当的缩放处理，然后采用级联的方法得到Logistic-HenoncascademapLHCM，如式5所示： 步骤3：根据CMCS，首先Fx选取一维Sine映射，Gx选取二维Henon映射，令fx＝x，然后，利用x调制Henon，并将调制的结果与Sine映射进行级联；最终，将Sine映射由一维扩展到二维，使输出相互交织，得到Henon-SinecascademapHSCM，如式6所示： 步骤4：根据CMCS，Fx选取一维Iterative映射，Gx选取二维Henon映射，令fx＝x,得到Henon-IterativecascademapHICM，如式7所示： 步骤三：对三张灰色图像分块，块与块之间跨平面交换，使用混沌随机序列进行加密算法过程中的置乱-扩散阶段，完成图像加密，具体步骤如下：步骤1：扫描三张灰度图像生成矩阵P1、P2、P3,Mi和Ni对应图像矩阵的行和列，若图像尺寸不同，令Mmax＝maxMi，Nmax＝maxNi，max表示取最大值；步骤2：利用SHA-512对三张灰度图像分别进行处理生成三组128位16进制的摘要值，并将摘要值转换成三组512位二进制数，通过异或操作获取密钥k，并采用mod运算获取CMCS初始值；步骤3：利用CMSC随机生成三组混沌映射Logistic-HenoncascademapLHCM、Henon-SinecascademapHSCM和Henon-IterativecascademapHICM；步骤4：若图像尺寸不同，将初始状态r1,b1代入LHCM中进行迭代，然后在尺寸小的图像四周添加LHCM产生的混沌序，使三张灰度图像的尺寸大小均为Mmax×Nmax，最后对添加元素后的矩阵进行分块操作,块的大小为L1×L2，T表示块的个数可由式8所得，其中L1可被Mmax整除，L2可被Nmax整除；T＝MmaxL1×NmaxL28步骤5：将初始状态代入HSCM中迭代500+T次，舍弃前500次迭代结果以达到充分的混沌状态，得到两组混沌序列A1、A2，利用公式9对混沌序列A1、A2进行处理得到伪随机序列 其中，round为四舍五入；步骤6：首先根据中的元素对应表1的规则进行块间的跨平面置乱操作，然后将中的元素与表2的规则一一对应，对分块矩阵进行旋转或翻转操作，最后将三张灰度图像合成彩色图像PMmax×Nmax×3；表1跨平面置乱规则 表2旋转翻转规则 步骤7：将初始状态代入HSCM中迭代1000+L1×L2次，得到混沌序列A3，运用式10对A3进行处理得到序列并将重新组合成大小为L1×L2的矩阵A'3，对A'3中的元素从大到小进行排序，得到索引矩阵，根据获得的索引矩阵进行块内置乱，最终得到置乱后的图像B； 步骤8：将置乱矩阵B转换成二进制矩阵B1,同时将B1均匀分成0,1,2,3四个部分，并采用四种不同的扩散算法分别对这四个部分进行扩散操作，图像的像素值可转换为8位二进制数，根据2i依次对8位二进制数进行分组，分为8位一组，4位一组，2位一组，1位一组，且i的取值与四个部分代表的数值一一对应，针对分组类型采取相应的扩散算法，过程如下所示，最终完成图像加密，获得加密后的图像C；1位螺旋变换：当i＝0时，2i＝1，8位二进制数被视为一个整体，此时对位级矩阵B1的第0部分进行整体的位螺旋变换，同时改变像素的位置和像素值，得到扩散矩阵2完美洗牌算法：当i＝1时，2i＝2，8位二进制数被分为两部分，可采用完美洗牌算法对B1的第1部分进行扩散操作，将8位二进制序列分成两组，分组后的序列为{a1,a2,a3,a4,b1,b2,b3,b4}，交换序列位置使其变为{b1,a1,b2,a2,b3,a3,b4,a4}，得到扩散矩阵3DNA算法：当i＝2时，2i＝4，8位二进制数被分为四部分，与DNA序列中的四个碱基A、G、C、T相对应，此时可采用DNA算法对B1的第2部分进行扩散操作，首先根据表3所示的DNA编码规则6进行DNA编码得到DNA序列，然后利用表3所示的DNA规则2对DNA序列进行解码，最终得到扩散矩阵表3DNA编码规则 4HICM位扩散：当i＝3时，2i＝8，8位二进制数被分为八部分，此时对B1的第3部分进行像素位扩散，利用算法1中生成的初始状态代入HICM中迭代1000+T1次，其中T1＝Mmax2×Nmax2×8,舍弃前1000次迭代结果，生成混沌序列D，将序列D重构成矩阵D18，Mmax2×Nmax2，并对D1的每一行元素从大到小进行排序，得到索引矩阵D2，根据索引矩阵D2对B1的第3部分进行排序，得到扩散矩阵5矩阵拼接：将扩散矩阵和进行拼接，得到最终的加密图像C。

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百度查询： 安徽理工大学 基于级联调制混沌系统和分块置乱-扩散的多图像加密算法

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