基於混沌的數字影像加密演算法

Abstract:目前混沌系統與加密技術相結合是現如今最熱門的一個課題，雖然有大量的加密演算法面世，但是這些加密演算法並不成熟，仍然需要進一步的研究。本文采用畫素位置置亂變換和畫素值替代變換相結合的加密思想，設計出一種基於混沌的數字影像加密演算法。引入了整數域上的逆仿射變換，演算法中採用二維 logistic 混沌對映相結合的方法，生成多組混沌序列，畫素置亂變換與灰度值替換都由這些混沌序列所控制。多混沌序列產生的金鑰空間大於單一的混沌序列所產生的金鑰空間，因此本文研究的演算法加密強度很高。

1. 蟲口模型—Logistic混沌對映。

Logistic對映是一種可產生的非線性系統，其模型如下所示：

圖1 Logistic對映分岔影像

clear all  
clc  
m(1)=0.632;  
N=196601;  
m1=[];  
for u1=2.6:0.02:4  
    for i=1:N-1  
        m(i+1)=u1*m(i)*(1-m(i));  
    end  
    m1=[m1 m];  
end  
plot(m1,'k.')

2. 畫素灰度值替代設計影像加密

設影像(i,j)處的灰度值為 I(i,j)，滿足 1≤i≤M、1≤j≤N，I′(i,j)表示替換後 I(i,j)在(i,j)處的灰度值。本文中，畫素值的替代變換是在空域中進行的，我們設計了兩種思路用於實現混沌序列與畫素值的替換操作。

畫素替換的公式如下:

I′(i,j)=((r1(i,j)⊕I(i,j)⊕r2(i,j)+L−r3(ij)))modL)mod256

式中：L表示影像的顏色深度;mod表示求模運算;⊕表示按位異或運算。r1,r2,r3表示的是混沌序列值，替換變換的金鑰由r1,r2,r3對應的混沌系統提供，變換可多次進行，如此加密效果更好。設重複次數為n，與混沌模型的初值和引數共同作為這一部分的金鑰，增大了金鑰的空間，提高了加密強度。若影像很大時，通過上式能夠看出r1,r2,r3模版矩陣需要隨之增大，如此就大大減小了加密效率。為此，我們可以通過分塊處理的方式對影像進行加密，加密效率明顯提高。圖2是原始影像和加密後的影像:

圖2 原始影像和加密後的影像

jiami.m

function e=jiami(x,data)  
m(1)=data(1);  
m1(1)=data(2);  
m2(1)=data(3);  
[a,b]=size(x);  
N=a*b;  
u1=data(4);  
%u=4;  
for i=1:N-1  
    m(i+1)=u1*m(i)*(1-m(i));  
end  
m=mode(255*m,256);  
m=uint8(m);  
u2=data(5);  
for i=1:N-1  
    m1(i+1)=u2*m1(i)*(1-m1(i));  
end  
m1=mode(255*m1,256);  
m1=uint8(m1);  
u3=data(6);  
for i=1:N-1  
    m2(i+1)=u3*m2(i)*(1-m2(i));  
end  
sigma=data(7);  
m2=mode(255*m2,256);  
m2=uint8(m2);  
%n=1;  
n=data(8);  
x=double(x);  
m=double(m);  
m1=double(m1);  
m2=double(m2);  
for i=1:a  
    for j=1:b  
       e(i,j)=m(n)+m1(n);  
       e(i,j)=bitxor(e(i,j),m2(n));  
       e(i,j)=e(i,j)+x(i,j);  
       e(i,j)=mod(e(i,j),255);  
       nn=n+1;  
    end  
end

main.m

x=imread('lena.png');  
x=double(x(:,:,1));  
r=input('請輸入加密金鑰key1：');  
e=jiami(x,r);  
subplot(121);  
imshow(x,[]);  
title('原始影像');  
subplot(122);  
imshow(e,[]);  
title('加密影像');

金鑰為[0.343 0.432 0.63 3.769 3.82 3.85 0.1 1]八位

3. 加密影像解密

解密是加密的逆，公式如下：

I(i,j)=(r1(i,j)⊕(I′(i,j)+r3(i,j))modL)⊕r2(i,j))mod256

jiemi1.m

function kk=jiemi1(e,data)  
e=double(e);  
[a,b]=size(e);  
e=floor(e);  
m3(1)=data(1);  
m4(1)=data(2);  
m5(1)=data(3);  
u1=data(4);  
N=a*b;  
for i=1:N-1  
    m3(i+1)=u1*m3(i)*(1-m3(i));  
end  
m3=mode(255*m3,256);  
m3=uint8(m3);  
u2=data(5);  
for i=1:N-1  
    m4(i+1)=u2*m4(i)*(1-m4(i));  
end  
m4=mode(255*m4,256);  
m4=uint8(m4);  
u3=data(6);  
for i=1:N-1  
    m5(i+1)=u3*m5(i)*(1-m5(i));  
end  
m5=mode(255*m5,256);  
m5=uint8(m5);  
sigma=data(7);  
n=data(8);  
m3=double(m3);  
m4=double(m4);  
m5=double(m5);  

for i=1:a  
    for j=1:b  
        kk(i,j)=m3(n)+m4(n);  
        kk(i,j)=bitxor(kk(i,j),m5(n));  
        kk(i,j)=e(i,j)-kk(i,j);  
        kk(i,j)=mod(kk(i,j),255);  
  nn=n+1;  
    end  
end

函式呼叫形式

kk=jiemi1(e,r);

%e為加密影像，r為金鑰，為8位

圖3是解密過程:

圖3 解密影像

由圖可以知道，錯誤的金鑰是解密錯誤的，只有正確的金鑰才能解密出原始影像，而且金鑰的精確度非常高，能到小數點後幾位。