彩色图像混沌加密算法

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1、彩色图像混沌加密算法彩色图像处理是数字图像处理的重要组成部分，在网络与多媒体通信中，常常涉及到彩色图像文件加密。为此，我们提出了一种彩色图像混沌加密算法，该加密算法通过选用Lorenz系统中三个不同维的变量生成置乱矩阵来分别实现对RGB彩色图像三分量的置乱加密，从而实现对整个彩色图像文件加密。一、彩色图像混沌加密算法设计实现1、对Lorenz混沌序列的优化Lorenz动力学方程为：其中，参数σ，r，b的典型值分别为σ=10，r=28，b=8／3，在σ和b不变，当r>24.74时，系统进入混沌状态。但该系统输出的实值混沌序列有一些固有缺陷：x，y，z的值域各不相同，不利于批处理；x，y，z

2、局部取值呈现单调性，易受线性预测攻击；x，y，z自相关特性非理想的δ函数，互相关特性非理想的零特性，难以保证不可预测性，而且系统多输出特性也得不到充分利用。为此，有专家提出了一种对Lorenz混沌序列的优化方法，构建了式(2)所示的一个数学模型：其中，x’，y’，z’三为优化后的实值混沌序列；m为控制参数，通过它可以提高序列取值的不规则性；round()为取最接近整数函数。经过实验，证明此优化序列具有良好的混沌特性、较理想的万函数自相关特性和近似为0的互相关特性。本空域算法采用了此混沌优化序列。2、置乱算法利用式(2)产生的三个优化后的混沌序列x’，y’，z’生成三个置乱矩阵，分别对RG

3、B彩色图像的三个分量进行置乱加密。置乱矩阵的生成方法：利用优化混沌序列生成相应的置换矩阵PM×N，对PM×N来说，其中任一元素Pij∈[1，2，…，M×N]，且Pij=Pkl，当且仅当i=k，j=1。比如：M=4，N=4，P即为4×4的矩阵，由优化混沌序列生成16个实数值组成的混沌序列为：10.95621370、10.91248372、10.57640346、11.0759704、11.62504738、11.13958961、10.26628130、9.10829136、9.53332571、9.21575219、9.11570905、9.19910548、8.87154601、9.2

4、7423505、9.85781001、10.94356727对以上序列按大小排序，然后从1到16进行标识，即可得到序列：4、6、7、3、1、2、8、15、10、12、14、13、16、11、9、5。按行排列成4×4的置乱矩阵P4×4为：置乱规则：采用非线性置换方法，将图像IM×N。N与置乱矩阵PM。Ⅳ的元素一一对应。将IM×N中的元素对应PM×N中的元素进行置乱。如对4×4的图像I4×4按照上面的P4x4矩阵进行置乱，I中的第1个元素移到第4个元素位置，第2个元素移到第6个元素位置，…，具体过程为：3、分块加密由于经本加密算法加密的彩色图像在以后的处理过程中还要进行JPEG压缩，而JPE

5、G压缩过程中的二维DCT、系数量化以及熵编码都是以8×8块为基本单位进行的，为了不破坏DCT系数的分布概率，并且使Huffman编码表能按最优方式使用，我们将待加密彩色图像的R、G、B3个分量按8×8大小分块，以8×8块为单位分别用置乱矩阵Px，Py，Pz进行空域置乱加密。4、彩色图像混沌加密算法的实现（1）彩色图像混沌加密算法的实现图像加密算法实现步骤为：Step1：输入待加密的彩色图像，分离彩色图像的R、G、B三基色分量。Step2：对Lorenz混沌序列进行优化处理。输入密钥σ，r，b，x0，yo，z0（xo，yo，zo为初始值），生成x，y，z实值混沌序列，用式（2）对x，y，z

6、混沌序列进行优化，得到x’，y’，z’优化混沌序列。Step3：将待加密彩色图像的R、G、B3个分量按8×8大小分块，以8×8块为单位生成置乱矩阵Px，Py，Pz。Step4：空域置乱。按置乱矩阵Px，Py，Pz规则重排三基色分量8×8块的几何位置，实现置乱加密。Step5：输出置乱彩色图像。合成置乱后的三基色图，即得到加密后的图像。（2）解密算法实现用户输入正确的密钥后，将加密算法逆向运算，即可获得解密图像。二、实验仿真我们选取大小为512×512的彩色图像Lena作为实验对象（如图1），利用MATLAB6.5编程实现算法。选取密钥σ=10，r=28，b=8/3，xo=0.514397

7、8026，yo=0.3246981507,zo=0.7021364589。为了增强生成混沌序列的安全性，我们除去序列的初始段，使Lorenz方程预先迭代n=10000次。图2、图3、图4分别是Lena的三基色分量分解图，图5、图6、图7分别是三基色分量图加密后的图像，图8是将分量图合成为彩色图像后的Lena最终加密图像。三、安全性分析1、保密性测试本算法在空域范围内使用Px，Py，Pz对彩色图像三基色分置乱，从密码学角度来说，加强了