基于忆阻超混沌的轻量级同步置乱扩散彩色图像加密方法

本发明涉及一种基于忆阻超混沌的轻量级同步置乱扩散彩色图像加密方法，属数字图像信息安全。

背景技术：

1、随着信息技术的快速发展，多媒体技术得到了广泛地应用，与此同时，海量的数据在互联网领域进行传播。图像，由于其蕴含的信息量大以及便利等特点，受到了众多信息传输者的青睐。然而，在网络传输的过程中，图像容易受到未经授权的访问和窃取，导致用户的隐私安全无法得到保障，如何有效地保障图像安全已经成为当前的重要挑战。混沌系统具有高度的初值敏感性以及伪随机性，被大量应用于信息安全领域，而忆阻器的出现为混沌系统提供了新的发展路径。将传统混沌系统与忆阻器相结合所得到的忆阻超混沌系统，相比于原始系统，有着更加复杂的动力学行为以及随机性，能够为图像加密算法提供有力的保障。

2、目前，混沌图像加密算法已经在医疗、军事以及互联网等领域得到了大量地应用，而随着物联网的发展，出现了许多资源受限的设备。传统的图像加密算法能够被计算资源充足的设备所使用，而对于计算资源不足的微型设备来说，其运算储存设备有限，无法满足传统加密算法的资源需求。当前的物联网、无线传感器网络等设备已经涉及到生活的各个方面，但由于没有合适的加密算法，导致人们的隐私安全处于高度的危险之中，因此有必要设计一款轻量级图像加密算法以满足资源受限设备的安全需要。

技术实现思路

1、本发明的目的是，为了解决传统图像加密算法无法在资源受限设备应用的问题，提出一种基于忆阻超混沌的轻量级同步置乱扩散彩色图像加密方法。

2、本发明实现的技术方案如下，一种基于忆阻超混沌的轻量级同步置乱扩散彩色图像加密方法，步骤如下：

3、(1)将待加密图像输入到哈希函数sha-256中，以获取与明文相关联的密钥，并通过以下表达式将二进制密钥转化为浮点数，随后计算出忆阻超混沌系统的控制参数以及初始值；

4、

5、式中，a为忆阻超混沌系统的控制参数；b为忆阻超混沌系统的控制参数；x0为忆阻超混沌系统的初始值；y0为忆阻超混沌系统的初始值；z0为忆阻超混沌系统的初始值；key为哈希函数生成的256位哈希值。

6、所述待加密图像的尺寸大小为m×n；所述密钥为长度256位的二进制哈希值。

7、(2)将上述初始值以及控制参数输入忆阻超混沌系统中，进行迭代产生混沌序列；所使用的忆阻超混沌系统的数学模型为：

8、

9、其中，a和b为忆阻超混沌系统的控制参数，c为忆阻器耦合强度；为展现出该忆阻超混沌系统的最佳性能，将忆阻器耦合强度设置为0.1，同时使参数a，b的值大于5；xn，yn，zn为状态变量。

10、所述迭代产生混沌序列：迭代500+m×n次，舍弃最初迭代的500次以跳过混沌的初始态，得到三条长度为m×n的混沌序列s1，s2，s3。

11、(3)对混沌序列进一步处理获取用于加密的整数序列、索引序列以及顺序矩阵：将上述步骤产生的混沌序列s1，s2，s3进行取模操作，获取扩散所需的整数序列t1，t2，t3，以及排序操作，得到索引序列s1，s2，s3；随后再将s1，s2，s3进行横向组合，形成大小为3m×n的混沌矩阵，并对其按照列方向进行排序，得到顺序矩阵o1；上述三个整数序列和索引序列分别对应rgb通道的同步置乱扩散操作；

12、所述取模操作的具体公式如下：

13、ti＝floor(si×106)mod 256

14、其中，mod为取模操作，ti为si取模生成的整数矩阵，同时对其进行排序，获取索引序列s1，s2，s3；随后将混沌序列横向组合成大小为3m×n的混沌矩阵，混沌序列s1位于第一行，s2位于第二行，以此类推；再对其以列为基准进行排序，得到顺序矩阵o1，用来选择进行同步扩散的通道。

15、顺序矩阵表达式为：o1＝sort(s1；s2；s3)

16、索引序列为：si＝sort(si)。

17、(4)将待加密图像的rgb通道分离，通过顺序矩阵o1选择要用于加密的通道，随后根据其相应的索引序列选择该通道加密像素的位置，并用整数序列确定扩散像素值，进行同步置乱扩散得到中间密文v；

18、所述中间密文获得步骤如下：

19、将待加密图像分离的rgb进行分离，根据顺序矩阵o1的值选择需要进行同步置乱扩散像素的所在通道，其中顺序值1，2，3分别对应r，g，b通道；然后根据对应的索引矩阵选择该像素所在通道的位置；在一个索引值使用后，会自动使用该序列的下一个索引值；将r,g,b用于记录不同平面索引被使用次数，分别设置为0，当对应的通道被选取后，其值会自动加一，再根据顺序矩阵的值以及下列公式计算中间密文矩阵的第一个值：

20、

21、在上述公式中，v是中间密文矩阵，p*是待价密图像通道分量；判断o1(1)的值，若其值为1，则选取r通道的像素进行加密；若为2，则选取g通道的值进行加密；以此类推，随后使用如下公式进行加密：

22、

23、pr为待价密图像r通道分量；pg为待价密图像g通道分量；pb为待价密图像b通道分量；

24、在后续加密过程中，每次选取像素都要先判断o1(1)的值，在得出尺寸大小为m×3n的中间密文后，将其转化为m×n×3的矩阵。

25、(5)对混沌序列s1,s2,s3进行序列重组，获得新的混沌序列s4,s5,s6，序列重组所使用公式如下：

26、

27、(6)将经过序列重组获得的混沌序列重复步骤(3)，并使用新得到的索引序列和顺序矩阵对中间密文v重复步骤(5)的操作，对其进行反向的同步置乱扩散得到加密图像c。

28、本发明的有益效果是，本发明提出的基于忆阻超混沌的轻量级同步置乱扩散彩色图像加密方法，利用哈希函数生成密钥，增加了密钥与明文的相关联性；随后使用同步置乱扩散的加密方式，旨在节省算法所需的计算资源；采用序列重组产生新的混沌序列，避免忆阻超混沌系统多次计算，进一步的提升了其加密效率。因而本发明方法具有抵抗多种攻击的能力，包括选择明文攻击、差分攻击、统计攻击等，在保障信息安全的同时极大地提升了算法的效率，减少其所需的计算资源，能够极好地为资源受限设备提供隐私保护。

技术特征：

1.基于忆阻超混沌的轻量级同步置乱扩散彩色图像加密方法，其特征在于，所述方法步骤如下：

2.根据权利要求1所述的基于忆阻超混沌的轻量级同步置乱扩散彩色图像加密方法，其特征在于，所述待加密图像的尺寸大小为m×n；所述密钥为长度256位的二进制哈希值。

3.根据权利要求1所述的基于忆阻超混沌的轻量级同步置乱扩散彩色图像加密方法，其特征在于，所述迭代产生混沌序列：迭代500+m×n次，舍弃最初迭代的500次以跳过混沌的初始态，得到三条长度为m×n的混沌序列s1,s2,s3。

4.根据权利要求1所述的基于忆阻超混沌的轻量级同步置乱扩散彩色图像加密方法，其特征在于，所述取模操作的具体公式如下：

5.根据权利要求1所述的基于忆阻超混沌的轻量级同步置乱扩散彩色图像加密方法，其特征在于，所述中间密文获得步骤如下：

技术总结基于忆阻超混沌的轻量级同步置乱扩散彩色图像加密方法，步骤包括：将待加密图像输入到哈希函数SHA‑256中以获取与明文相关联的密钥；通过密钥计算出忆阻超混沌的初始值和控制参数,并迭代产生混沌序列；对混沌序列进一步处理获取用于加密的整数序列、索引序列以及顺序矩阵；使用上述序列和矩阵对图像进行同步置乱扩散得到中间密文矩阵；通过序列重构的方法产生三个新的混沌序列并重复上述步骤对中间密文矩阵进行反向的同步置乱扩散得到加密图像。本方法提出的序列重构以及同步置乱扩散在相当程度上减小了加密算法所需要的计算复杂度及资源，同时保障其具备较高的安全性，能充分满足物联网、无线传感器网络等领域资源受限设备的安全需要。技术研发人员：赖强,王黄涛受保护的技术使用者：华东交通大学技术研发日：技术公布日：2024/7/18