基于概率區間劃分和動態概率事件的圖像加密和解密方法【
技術領域：
】[0001]本發明屬于信息安全和數字圖像信號處理交叉研究領域，設及一種數字圖像加密和解密方法，特別設及一種基于概率區間劃分和動態概率事件的圖像加密和解密方法。【
背景技術：
】[0002]近年來，伴隨著計算機和網絡技術的發展，越來越多的圖像在網絡中傳輸，在給用戶提供方便的同時，也帶來一系列安全隱患。對圖像不當使用或惡意篡改，不僅設及個人隱私，也會給社會帶來嚴重負面影響。保障數字圖像安全的核屯、技術是數字圖像加密。[0003]自Robe;rtMatthews，1989(Robe;rtMatthews.Onthederivationofa"chaotic"encryptionalgorithm!!J].Cryption，1989，13(I):29-42)提出混濁加密思想W來，基于混濁的圖像加密方法逐步成為了圖像安全的研究熱點，國內外研究者結合混濁系統給出了很多圖像加密方法。彭再平等，2014(彭再平，王春華，林愿，等.一種新型的四維多翼超混濁吸引子及其在圖像加密中的研究[J].物理學報，2014,63(24):240506-1-240506-10)和朱從旭等，2012(朱從旭，孫克輝.對一類超混濁圖像加密算法的密碼分析與改進[J].物理學報，2012,61(12):12503-1-12503-12)通過4維超混濁系統產生隨機序列對圖像像素值進行異或方口密。Zhan邑Xuanpin邑等，2014a(Xuanpin邑Zhan邑，YanbinMao，Zhon邑men邑Zhao.AnefficientimageencryptionbasedonalternatecicularS-boxes[J].NonlinearDynamics，2014，78(I):359-369)和ZhangXua叩ing等，2014b(XuawingZhang，ZhongmengZhao,JiayinWang.Chaoticimageencryptionbasedoncircularsubstitutionboxandkeystreambuffer[J].SignalProcessing:ImageCommunication，2014,29(8):902-913)將圖像像素在S-BOX上的映射值作為圖像像素的加密值。[0004]W上文獻（彭再平等，2014,朱從旭等，2012,Xua噸ingZhang等，2014a和Xua噸ingZhang等，2014b)都是通過對像素值的改變來對圖像進行混淆加密，但在混淆的同時并不能實質地改變圖像像素鄰近位置相關性，且加密后的圖像像素位置與加密前的原像素位置一一對應，從而在信道傳輸過程中重要像素易于受到攻擊，像素之間的相關性也易于受到破壞。[000引為避免此類問題，通常的圖像加密算法一般包括2個環節，即打亂鄰近像素位置相關性的置換環節和改變像素值相關性的混淆環節。基于此，官國榮等，2015(官國榮，吳成茂，賈倩.一種改進Lorenz混濁系統構造及其加密應用[J].小型微型計算機系統，2015,36(4):830-835)和趙玉青，2014(趙玉青.基于改進化en混濁系統的加密算法[J].小型微型計算機系統，2014,35(9):2162-2166)分別對改進Lorenz混濁系統和添加擾動的Chen系統產生的隨機序列進行預處理，通過排序對待加密圖像像素進行位置置換，并將置換后的圖像像素進行異或混淆加密。XiaoJuntong等，2015(XiaoJuntong，ZhuWang，MiaoZhang，etal.Animageencryptionalgorithmbasedontheperturbedhigh-dimensionalchaoticmap[J].NonlinearDynamics,2015,80(3):1493-1508)將圖像像素矩陣劃分為5個部分，由不同初始值驅動貓映射進行像素位置置換，然后對像素進行異或混淆加密。K.Ganesan等，2014(K.Ganesan，K.Murali.Imageencryptionusingeightdimensionalchaoticcatmap[J].TheEuropeanPhysicalJournalSpecialTopics,2014,223(8):1611-1622)通過8維貓映射構造查找表，對像素的位置置換并逐像素異或加密。WeiZhang等，2013(WeiZhang，Kwok-woWong，HaiYu，etal.Animageencryptionschemeusingreverse2-dimensionalchaoticmapanddependentdiffusion[J].CommunicationsinNonlinearScienceandNumericalSimulation,2013,18(8):2066-2080)用cat映射進行像素位置置換W及采用look-叫table算法進行像素異或加密。M.Ghebleh等，2014(M.Ghebleh，A.Kanso，H.Noura.Animageencryptionschemebasedonirregularlydecimatedchaoticmaps[J].SignalProcessing:ImageCommunication,2014,29(5):618-627)將圖像分塊，由3維帳篷映射產生纔濁置亂序列，通過銀齒遍歷映射對圖像像素進行位置置換，然后構造像素間的異或纔淆加密上文獻（官國榮等，2015,趙玉青，2014，XiaoJuntong等，2015，K.Ganesan等，2014，WeiZhang等，2013和M?加ebleh等，2014)將圖像像素位置置換和對圖像像素纔淆加密孤立為2個松禪合的加密環節，在纔淆過程中僅采用最簡單的異或加密函數，由此也帶來了嚴重的安全隱患，攻擊者可構造特殊的攻擊模板，孤立置換和纔淆加密環節，先破解加密密鑰，再由加密密鑰獲取圖像明文，從而最終破解整個加密方法。[0006]為提高置換與纔淆加密環節的禪合性，NarendraK等，2013(NarendraK.Pareek,VinodPatidar,KrishanK.Sud.Diffusion-substitutionbasedgrayimageencryptionscheme[J].DigitalSignal化ocessing，2013,23(3):894-901)通過128位外部密鑰將對圖像的全局異或加密，分塊纔淆過程的塊大小和塊內元素的起始位置W及鄰近元素的異或加密方向禪合到了一起。徐亞等，2015(徐亞，張紹武.基于Arnold映射的分塊雙層自適應擴散圖像加密算法[J].中國圖像圖形學報，2015,20(6):0740-0748)采用外部密鑰將Arnold對塊及塊內像素置換W及擴散操作禪合在了一起，加密后的像素與外部密鑰共同更新纔濁^OXuanpingZhang^,2014c(XuanpingZhang，XingFan，JiayinWang，etal.Achaos-basedimageencryptionschemeusing2Drectangulartransformanddependentsubstitution[J].MultimediaToolsandApplications，2014:1-19)用夕h部密鑰將二維雙尺度映射置換像素W及構造驅動纔濁系統構造S盒子進行像素替換聯系在一起，使得加密環節密不可分。由于對像素比特位的置換，也能改變圖像像素值，一些文獻也探討了基于比特位的加密方法DHimanKhanzadi等，2014(HimanKhanzadi,MohammadEshghi,ShahramEtemadiBorujeni.Imageencryptionusingrandombitsequencebasedonchaoticmaps[J].ArabianJournalforScienceandEngineering,2014,39(2):1039-1047)對像素位置進行行列置亂，然后對置換后的圖像8個比特位面分別進行異或'混淆加密oXingyuanWang等，2013(XingyuanWang，DapengLuan.Anovelimageencryptionalgorithmusingchaosandreversiblecellularautomata[J].CommunicationsinNonlinearScienceandNumericalSimulation,2013,18(11):3075-3085)將圖像像素劃分為高4位比特和化4位比特，通過纏繞纔濁映射序列值形成對應關系進行置換加密，高四位比特采用元胞自動機加密，化四位采用隨機序列纔淆加密。^上文獻（NarendraK等，2013,徐亞等，2015，Xua叩ingZhang等，2014c，Himan趾anzadi等，2014和XingyuanWang等，2013)盡管通過外部密鑰或添加比特位操作增加了加密環節的禪合性，但對于不同的加密圖像，使用相同的密鑰，其所經歷的加密過程都相同，由此依然存在著惡意攻擊者選取特殊的攻擊模板攻擊加密算法的風險。要解決此問題，必須將待加密圖像的明文屬性引入到圖像加密算法中。基于此，YicongZhou等，2014(YicongZhou,WeijiaCao，C.L.PhilipChen.Imageencryptionusingbinarybitplane[J].SignalProcessing，2014,100(7):197-207)將明文像素和與Logistic映射的迭代次數相綁定，從而不同的像素對應于不同的IogiStic映射迭代次數。XingyuanWang等，2014(XingyuanWang,KangGuo.Anewimagealternateencryptionalgorithmbasedonchaoticmap[J].NonlinearDynamics.2014,76(4):1943-1950)明文像素和作為Logistic映射序的參數，不同圖像對應不同隨機數。楊鳳霞，2014(楊鳳霞.基于二維Arnol加央射的彩色圖像加密算法[J].小型微型計算機系統，2014,35(8):1922-1925)將圖像(0,0)點的像素值和用戶密鑰作為化t映射的參數和迭代次數。文獻(YicongZhou等，2014,XingyuanWang等，2014和楊鳳霞，2014)盡管將明文引入到圖像加密策略中W提高安全性，但所提升的安全性十分有限，例如YicongZhou等，2014將明文像素和與512的模值作為Logistic映射的迭代次數，僅有512種可能;楊鳳霞，2014將圖像(0,0)點的像素值引入到圖像加密算法中，由于單個像素僅僅256個數值，所能起到的安全性也十分有限。為提高加密策略與明文之間的相關性。BenyaminNorouzi等，2014(BenyaminNorouzi，SeyedMohammadSeyedzadeh，SattarMirzakuchaki，et.al.Anovelimageencryptionbasedonhashfunctionwithonlytwo-rounddiffusionp;rocess[J].MultimediaSystems,2014,20(1):45-64)將明文像素和與當前像素的差值作為加密參數用來生成加密環節的密鑰，但所設計的加密策略在解密時需原始待加密圖像的所有信息起不到實質的加密作用。文獻李園園等，2013(李園園，張紹武.小波變換和SHA-I相結合的圖像壓縮加密[J].中國圖像圖形學報，2013,18(4):376-381)將待加密圖像進行四重小波變化，利用待加密圖像的明文像素和、低頻系數、初始密鑰作為混濁系統參數依次對圖像的高低頻部分進行加密。雖然文獻(BenyaminNorouzi等，2014和李園園等，2013)加強了密鑰與明文之間的關聯，但明文僅能對圖像加密環節的參數施加影響，而不能具體地改變所經歷的加密環節，運在實際使用過程中依然存在著較大的安全風險。[0007]在所申請的發明專利中（邵利平，郭毅，楊踰.基于改進約瑟夫遍歷和廣義化non映射的圖像加密與解密方法[P].中國，中華人民共和國國家知識產權局，發明專利，201410145368.7)，我們將待加密圖像SHA-I值和用戶選定的加密參數聯合作為密鑰，驅動廣義Henon映射對改進的用于位點置換的約瑟夫遍歷映射的起始位置、報數間隔和報數方向進行隨機擾動，從而使不同的加密圖像和加密參數實質對應于不同的位點置換過程;該方法增強了各加密環節的禪合性，不同的待加密圖像啟動不同的加密過程，因而能有效地抵抗選擇性明文攻擊，所提方法加強了密鑰與明文之間的關聯，但明文僅能對圖像加密環節的參數施加影響，而不能具體地改變所經歷的加密環節。【
發明內容】[0008]本發明目的在于克服現有技術缺陷，提供一種基于概率區間劃分和動態概率事件的圖像加密和解密方法，不同的圖像和密鑰將對應于不同的加密過程，具備更高的安全性。為實現上述目的，本發明采用W下技術方案：[0009]-種基于概率區間劃分和動態概率事件的圖像加密方法，包括W下步驟：[0010]第1步:記待加密圖像為A=(ai,j)mXn且曰1^￡{〇，1，...，123引，設置加密次數1，*>0，初始迭代控制參數k=1，將A的甜A-I值轉換為16進制數序列Ssha-I=<s〇，Si，…，S39〉，然后將Ssha-I首尾相接連成一個環，由用戶確定不重復起點Go，Gi，G2e{0，1，2，...，39}，將其映射為16進制數序列馬。，[00川第2步:將馬。，馬,，馬。映射為初始值Xinit，Yinit，Zinit;[001引第3步:將Ssha-汾割為16進制序列出，i=0，1，2，3，4，然后將出映射為當前第1頁1 2 3 4 5