本發(fā)明涉及圖像加密的，尤其涉及到一種基于內(nèi)外通道置換與fibonacci變矩陣的圖像加密方法。

背景技術(shù)：

1、隨著醫(yī)療云服務(wù)和遠(yuǎn)程會(huì)診技術(shù)的迅速發(fā)展，患者信息的未授權(quán)訪問(wèn)對(duì)信息安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。在醫(yī)療場(chǎng)景中，防止患者個(gè)人信息泄露或被篡改已成為當(dāng)前亟待解決的重要問(wèn)題。此外，為滿足信息傳輸?shù)牡脱舆t需求，開(kāi)發(fā)快速的加密算法也是必要的。圖像加密作為保護(hù)圖像信息的最直接和安全的方法，因其能夠有效抵御信息泄露，逐漸受到廣泛關(guān)注。然而，圖像由于其數(shù)據(jù)量大和像素間高關(guān)聯(lián)性的特點(diǎn)，使得傳統(tǒng)加密方法(如des和aes)在圖像加密中面臨巨大挑戰(zhàn)。混沌圖像加密系統(tǒng)因其對(duì)初始條件的高敏感性、長(zhǎng)周期性和不可預(yù)測(cè)的迭代軌跡，成為一種更適合圖像加密需求的解決方案。

2、現(xiàn)有的混沌系統(tǒng)主要分為一維和高維系統(tǒng)。一維混沌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其混沌軌跡易受攻擊，安全性較低。相比之下，高維混沌系統(tǒng)具有更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和更強(qiáng)的混沌性能，是研究的熱點(diǎn)方向。然而，增加混沌系統(tǒng)的維數(shù)會(huì)顯著增加計(jì)算復(fù)雜度，因此二維混沌系統(tǒng)被廣泛采用為一種權(quán)衡方案。二維混沌系統(tǒng)在一定程度上兼具計(jì)算效率和混沌性能，是圖像加密研究的重要方向。

3、此外，fridrich提出的基于二維混沌映射的置換-擴(kuò)散圖像加密方法被視為典型結(jié)構(gòu)，并被廣泛應(yīng)用于圖像加密中。近年來(lái)，基于混沌的圖像加密方法進(jìn)一步融合了dna編碼、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、分組置換等技術(shù)。其中，分組置換方案因其能快速完成置亂并有效破壞像素間相關(guān)性，特別適用于快速加密場(chǎng)景。

4、但上述的現(xiàn)有技術(shù)均存在著以下缺點(diǎn)：

5、1、現(xiàn)有二維混沌系統(tǒng)(如2d-sphm、2d-sscdb和cross-2dhm)混沌參數(shù)范圍較窄，隨機(jī)性不足，難以有效破壞像素間相關(guān)性。特別是在高安全性和高效率的應(yīng)用場(chǎng)景下，這些系統(tǒng)難以滿足需求。

6、2、在通道分組置亂方面，現(xiàn)有方法(如基于arnold映射的三通道置亂方法)因混沌吸引子的周期性限制，其安全性受到了影響。此外，fisher-yates置亂算法雖然能實(shí)現(xiàn)有效的塊內(nèi)置亂，但其高時(shí)間復(fù)雜度使其不適合快速加密應(yīng)用。

7、3、現(xiàn)有基于線性矩陣變換的擴(kuò)散算法(如hill密碼)盡管因其簡(jiǎn)單、快速且有效的特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用，但其原版及改進(jìn)版的密鑰矩陣必須在環(huán)z/256z中可逆，否則將導(dǎo)致解密失敗，增加了應(yīng)用的復(fù)雜性和風(fēng)險(xiǎn)。

8、4、隨著網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)膱D像多為彩色圖像，對(duì)rgb三通道的加密成為研究的重點(diǎn)。然而，現(xiàn)有方法在三通道分組和置亂方面難以兼顧高效性和安全性。

9、5、許多現(xiàn)有算法在執(zhí)行時(shí)間上未能達(dá)到理想水平。例如，某些基于dna編碼或復(fù)雜混沌系統(tǒng)的加密方案在圖像處理速度上存在較大不足，難以滿足實(shí)時(shí)加密的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于內(nèi)外通道置換與fibonacci變矩陣的圖像加密方法。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案為：

3、一種基于內(nèi)外通道置換與fibonacci變矩陣的圖像加密方法，包括：

4、輸入明文圖像p，并基于二維余弦多項(xiàng)式超混沌映射系統(tǒng)和內(nèi)外通道置換算法對(duì)明文圖像p進(jìn)行置亂處理，得到置亂后的圖像p′；

5、所述二維余弦多項(xiàng)式超混沌映射系統(tǒng)的模型如下：

6、

7、yv+1＝b·cos(ayv-bxv+xv)

8、其中，xv和yv為混沌映射的輸入變量；v為二維混沌系統(tǒng)的迭代次數(shù)；a、b均為映射的控制參數(shù)，用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的混沌行為；

9、通過(guò)模π變fibonacci矩陣擴(kuò)散算法對(duì)置亂后的圖像p′進(jìn)行擴(kuò)散處理，最后得到加密的圖像。

10、進(jìn)一步地，基于內(nèi)外通道置換算法對(duì)明文圖像p進(jìn)行置亂處理,包括：

11、a1、使用二維余弦多項(xiàng)式超混沌映射系統(tǒng)生成三個(gè)混沌矩陣c、q和s，這些混沌矩陣調(diào)整為與輸入明文圖像p相同的尺寸；其中，混沌矩陣c的元素取值范圍為[1,6]，混沌矩陣q的元素取值范圍為[1,m]；m為明文圖像p的長(zhǎng)度；

12、a2、對(duì)于每個(gè)像素位置r(i,j)g(i,j)b(i,j)，將混沌矩陣c(i,j)的值作為索引，從預(yù)設(shè)通道序列列表selectedlist中，選擇對(duì)應(yīng)的三通道排列順序；

13、selected_channels(i，j)＝selected_list[c(i，j)]

14、a3、結(jié)合selected_channels(i,j)和混沌矩陣q獲取通道的圖像分組矩陣g；

15、a4、將圖像分組矩陣g按行分組，并在結(jié)合混沌矩陣s的情況下，每組通過(guò)內(nèi)外通道置亂算法進(jìn)行置亂，實(shí)現(xiàn)元素置亂交換；

16、a5、重復(fù)步驟a4，直至每組的所有元素均完成重新定位，最終得到置亂后的圖像p′。

17、進(jìn)一步地，結(jié)合selected_channels(i,j)獲取通道的圖像分組矩陣g，包括：

18、圖像分組矩陣g中每個(gè)像素的值均由一個(gè)三元組確定，三元組中：

19、第一個(gè)分量表示從原圖像中檢索值的行索引，等于混沌矩陣q在像素位置r(i,j)g(i,j)b(i,j)的值；

20、第二個(gè)分量表示列索引，等于元素位置r(i,j)g(i,j)b(i,j)的列索引；

21、第三個(gè)分量表示通道索引，等于當(dāng)前通道的序列值selected_channels(i,j)；

22、基于該三元組，從明文圖像p中提取對(duì)應(yīng)位置的值，并填充到圖像分組矩陣g的相應(yīng)位置，從而得到通道的圖像分組矩陣g。

23、進(jìn)一步地，步驟a4包括：

24、將圖像分組矩陣g按行分組，每組通過(guò)內(nèi)外通道置亂算法進(jìn)行置亂：

25、一行為一組，第k行分組為gk，其大小為1×n，n為明文圖像p的寬度，即：

26、gk＝{gk0，gk1，...，gkn-1}.

27、其中，gkn-1表示分組gk中的第kn-1個(gè)元素；

28、將混沌矩陣s按行分組，對(duì)應(yīng)的混沌序列為：

29、sk＝{sk0，sk1，...，skn-1}

30、其中，skn-1表示混沌矩陣s中第k行的第kn-1個(gè)元素；

31、遍歷指針從子組的起始位置開(kāi)始，每次替換迭代后按順序移動(dòng)；當(dāng)前輪次的混沌序列值和遍歷指針的位置確定替換指針?biāo)饕?，開(kāi)始于遍歷指針的位置并持續(xù)到混沌序列值所指的位置；

32、置亂索引sshuffle(n)定義為：

33、

34、其中，n為當(dāng)前遍歷指針的位置，skn為混沌序列sk中的對(duì)應(yīng)元素；該公式根據(jù)混沌序列確定置換指針的新索引位置；

35、置亂過(guò)程如下：

36、

37、其中，表示元素交換，當(dāng)遍歷指針遍歷分組gk的所有元素后，完成該組的置亂。

38、進(jìn)一步地，通過(guò)模π變fibonacci矩陣擴(kuò)散算法對(duì)置亂后的圖像p′進(jìn)行擴(kuò)散處理，包括：

39、利用二維余弦多項(xiàng)式超混沌映射系統(tǒng)進(jìn)行m×n次迭代，m為明文圖像p的長(zhǎng)度,n為明文圖像p的寬度,生成三個(gè)混沌序列k1、k2和k3；

40、生成一個(gè)fibonacci數(shù)列并應(yīng)用模π運(yùn)算，得到具有混沌效應(yīng)的fibonacci數(shù)列變體，該變體用于生成密鑰矩陣參數(shù)f11,f12,f21,f22,且密鑰矩陣參數(shù)f11在環(huán)z或256z中可逆；

41、讀取置亂后的圖像p′，獲取其大小m×n；

42、將置亂后的圖像p′轉(zhuǎn)換為向量形式；

43、對(duì)第一個(gè)像素p′(1)加密，并以如下方式對(duì)其相鄰像素p′(2)進(jìn)行置亂：

44、

45、b(2)＝(z(1)+p′(2))mod256

46、其中，a(1)為第一個(gè)加密后的像素，p′(1)為置亂圖像的第一個(gè)像素值，b(2)為第二個(gè)置亂后的像素，z(1)為用于隨機(jī)化相鄰像素的臨時(shí)值；

47、對(duì)剩余像素進(jìn)行如下加密：

48、

49、b(m)＝(z(m-1)+p′m))mod256

50、其中，m表示當(dāng)前像素的索引；

51、將加密擴(kuò)展到最后一個(gè)像素，從而完成整個(gè)圖像的加密過(guò)程；

52、最后將向量a轉(zhuǎn)換回二維矩陣形式，得到加密后的圖像。

53、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本技術(shù)方案原理及優(yōu)點(diǎn)如下：

54、1、采用具有更寬混沌參數(shù)范圍和更高隨機(jī)性的二維余弦多項(xiàng)式超混沌映射(2d-cphm)，相較于現(xiàn)有二維混沌系統(tǒng)(如2d-sphm、2d-sscdb、cross-2dhm)，其lyapunov指數(shù)(le1＝222.1670，le2＝256.6653)顯著提升，可有效解決混沌性能受限和隨機(jī)性不足的問(wèn)題。

55、2、通過(guò)三通道分組和內(nèi)外置亂算法的結(jié)合，有效破壞像素間的相關(guān)性，顯著提高了圖像的抗統(tǒng)計(jì)分析能力。同時(shí)，基于fibonacci序列的混沌變矩陣和偽隨機(jī)平移向量設(shè)計(jì)，擴(kuò)散過(guò)程展現(xiàn)出強(qiáng)大的雪崩效應(yīng)，使得圖像對(duì)差分攻擊和選擇明文攻擊表現(xiàn)出更強(qiáng)的抵抗力。

56、3、采用低復(fù)雜度的內(nèi)外通道置換算法和二維矩陣擴(kuò)散方法，可減少計(jì)算開(kāi)銷，與傳統(tǒng)算法相比顯著提高了執(zhí)行效率。例如，在512×512尺寸的圖像測(cè)試中，算法加密時(shí)間僅為0.32秒，大幅優(yōu)于現(xiàn)有算法，滿足低延遲應(yīng)用需求。

57、4、支持對(duì)彩色圖像的多通道加密，適用于任意形狀和尺寸的圖像數(shù)據(jù)，具有良好的通用性和適應(yīng)性，特別適合醫(yī)療云服務(wù)和遠(yuǎn)程會(huì)診等對(duì)信息安全和加密速度要求較高的場(chǎng)景。

58、5、采用多個(gè)混沌初始參數(shù)和fibonacci序列初始值構(gòu)成密鑰，密鑰空間達(dá)到2^520，相較于現(xiàn)有算法更具抗暴力破解能力。同時(shí)，系統(tǒng)對(duì)密鑰的高靈敏度確保即使是微小的密鑰變化也會(huì)導(dǎo)致無(wú)法正確解密，進(jìn)一步增強(qiáng)安全性。