[发明专利]具有快速密钥流生成机制的数字图像加密方法

摘要

本发明一种具有快速密钥流生成机制的数字图像加密方法，属于图像加密领域，本发明实现了一个具有快速密钥流元素生成机制的图像加密系统，在扩散阶段，每进行一次混沌系统迭代及密钥流元素量化，可生成多个密钥流元素，有效降低了混沌系统的迭代次数，从而大幅度的提升了加密系统的速度；此外，每次迭代与量化生成的密钥流元素个数是与明文相关的，同时提高了加密系统抗已知明文和选择明文攻击的能力；密码学分析与加密速度测试表明，本发明提出的加密系统，在具有高安全性的前提下，加密速度与传统方法相比有约1倍的提升。

主权项

1.一种具有快速密钥流生成机制的数字图像加密方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：基于广义离散Cat映射实现明文图像的置乱处理，改变图像中每一像素点的位置；步骤1-1：设待加密明文图像的大小为N×N，利用式(1)定义的广义离散Cat映射实现图像的置乱，消除相邻像素间的相关性，公式如下：x′y′=1pqpq+1xymodN---(1)]]>其中，x、y为变换前的坐标；x'、y'为变换后的新坐标；(p,q)∈[1,N]为控制置乱过程的系统参数，即由加密者设置的置乱密钥；用于解密的逆Cat映射的定义为x′y′=pq+1-p-q1xymodN---(2)]]>步骤1-2：返回执行步骤1-1，以充分消除相邻像素相关性，返回执行步骤为2～3次；步骤2：采用Logistic映射对置乱后的图像进行扩散处理，改变图像中每一点的像素值；Logistic映射定义如下：xn+1=μxn(1-xn),xn∈[0,1],μ∈[0,4]---(3)]]>其中，μ和x分别为控制参数和状态变量，x_n表示第n次迭代的状态变量值；x_n+1表示第n+1次迭代的状态变量值；步骤2-1：加密者设置扩散密钥(x₀,μ)，其中x₀为状态变量初始值；迭代公式(3)N₀次，上述N₀为常量，且N₀≥200，使系统充分进入混沌状态；步骤2-2：继续迭代公式(3)，利用公式(4)对混沌映射状态变量的当前值x_n进行量化，得到一个4字节的伪随机数，公式如下：其中，floor(x)函数表示返回距离x最近的整数值；mod(x,y)函数表示返回x除以y的余数；步骤2-3：将拆分为4个大小为1字节的伪随机数，并根据当前待加密的明文像素点的前一个点的明文值p_n-1，选择这4个伪随机数中的前M个作为密钥流元素，其中1≤M≤4；M由公式(5)确定：M=p_n-1%4+1         (5)对于第一个明文像素点，p_n-1的初始值p₀可由加密者设为一取值在[0,255]间的整型常量；步骤2-4：根据步骤2-3得到的M个密钥流元素对M个明文像素点实施加密；公式如下：cn=kn⊕{[pn+kn]modL}⊕cn-1---(6)]]>其中，k_n,p_n,c_n分别为当前操作的密钥流元素、明文像素值和输出的密文像素值；L为图像的灰度级；c_n-1为前一个已加密点的密文像素值，其初始值c₀可设为一个常量；代表按位异或操作；若剩余待加密像素点不足M个，则只加密剩余的像素点即可；用于解密的反变换为pn=[kn⊕cn⊕cn-1+L-kn]modL---(7)]]>步骤2-5：返回执行步骤2-2，直到置乱图像中的所有像素点按照从左至右、从上至下的顺序被加密完毕；步骤3：可根据加密强度要求，进行多轮加密，即反复执行步骤1与步骤2。