韓雪娟，李國(guó)東

(新疆財(cái)經(jīng)大學(xué) 應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830012)

0 引 言

由于混沌所具有的特性，對(duì)于混沌和超混沌在圖像加密技術(shù)中的應(yīng)用越來(lái)越受到學(xué)者的關(guān)注，已經(jīng)成為了研究熱點(diǎn)之一[1-6]。數(shù)字圖像加密主要是根據(jù)美國(guó)數(shù)學(xué)家香農(nóng)提出的置亂技術(shù)和擴(kuò)散技術(shù)，利用置亂方法和擴(kuò)散方法對(duì)圖像信息進(jìn)行隱藏。

Arnold變換的特點(diǎn)如下：算法簡(jiǎn)單、置亂效果好，因此被廣泛應(yīng)用到圖像加密方面[7,8]。但是Arnold變換具有周期性的特點(diǎn)限制了它在圖像加密方面的應(yīng)用，怎樣避開(kāi)它的弊端設(shè)計(jì)出更好的加密算法成為研究的熱點(diǎn)之一。有些學(xué)者在圖像加密方面的文獻(xiàn)中提出了改進(jìn)Arnold變換的加密方法[9,10]。也有許多學(xué)者設(shè)計(jì)了各種不同類型的加密算法，姚麗莎等[11]利用DNA序列和分?jǐn)?shù)階Chen超混沌系統(tǒng)對(duì)彩色圖像進(jìn)行加密，DAN加密具有難破解的優(yōu)點(diǎn)。謝國(guó)波等[12]利用引入量子混沌的方法，設(shè)計(jì)了一種使用量子混沌實(shí)現(xiàn)比特置亂的圖像加密方案，使算法不會(huì)受混沌參數(shù)少的缺陷的影響。仿真結(jié)果表明，該算法在統(tǒng)計(jì)特性分析、抗攻擊性能上要比常規(guī)算法更勝一籌，但是不足之處在于比特置亂這個(gè)算法本身計(jì)算量較大，導(dǎo)致效率不高。毛頡等[13]根據(jù)引擎值來(lái)動(dòng)態(tài)選擇加密密鑰，設(shè)計(jì)了4方向連續(xù)擴(kuò)散的方法，設(shè)計(jì)了一種算法完成圖像加密。Yueping Li等[14]采用5維多翼超混沌系統(tǒng)，超混沌系統(tǒng)生成的密鑰流與原始圖像相關(guān)。Rasul Enayatifara等[15]提出了一種同步置換擴(kuò)散技術(shù)，該方法快速有效。

本文設(shè)計(jì)的加密算法在置亂時(shí)融合了分塊置亂和動(dòng)態(tài)Arnold變換，有效避開(kāi)了Arnold置亂具有周期性易破解的弊端。同時(shí)在擴(kuò)散算法中利用3種不同的混沌映射產(chǎn)生偽隨機(jī)序列，對(duì)置亂后的加密圖像進(jìn)行分塊擴(kuò)散和整體擴(kuò)散；在分塊擴(kuò)散時(shí)根據(jù)Logistic映射選取的子塊奇偶性選擇不同的隨機(jī)序列分別進(jìn)行加密，混沌之間相互控制參數(shù)，大大增加了密文的安全性。

1 加密算法的設(shè)計(jì)

1.1 加密原理

本文設(shè)計(jì)的加密方案不但增大了解密難度，而且提高了加密信息的安全級(jí)別。該算法對(duì)明文圖像分別進(jìn)行了兩種不同方式的置亂，第一種是分塊置亂，第二種是Arnold置亂。再運(yùn)用第二種方式置亂時(shí)又對(duì)一次置亂后的圖像進(jìn)行了3次動(dòng)態(tài)置亂，避免了Arnold置亂的周期性帶來(lái)的影響，破壞了明文圖像之間的聯(lián)系，增加了圖像的置亂程度。得到最終的置亂圖像后，對(duì)圖像進(jìn)行了兩次擴(kuò)散，每次擴(kuò)散選擇不同的混沌序列，增強(qiáng)了密文圖像的安全性；同時(shí)混沌序列之間又相互控制參數(shù)，增加了密文的破解難度。

圖像置亂操作：先對(duì)圖像進(jìn)行第一次置亂，再利用動(dòng)態(tài)Arnold映射對(duì)分塊置亂后的圖像進(jìn)行置亂；圖像的擴(kuò)散部分：迭代處理Tent-Sine映射、Tent映射以及Sine映射產(chǎn)生3個(gè)不同的序列X、Y、Z，迭代處理Logistic映射產(chǎn)生的序列w″選塊。先是用序列X或者Y對(duì)置亂后的圖像依次進(jìn)行第一次分塊擴(kuò)散，再用序列Z對(duì)一次擴(kuò)散后的加密圖像進(jìn)行第二次整體擴(kuò)散，得到最終加密圖像。經(jīng)過(guò)模擬仿真，該方法解決了安全級(jí)別不高和易破解的問(wèn)題。

1.2 置亂算法的設(shè)計(jì)

(1)分塊置亂：

設(shè)明文圖像大小為m*n的灰度圖像E, 將其劃分為大小為t*t的矩陣子塊，共有m/t*n/t個(gè)子塊(t是m,n的公約數(shù))，本文選用的是300*300的灰度圖像。

將E平均分為25塊60*60的圖像，記為e1,e2,e3,…,e25， 表示如下

e1=(e11,e12,e13…e1t*t)
e2=(e21,e22,e23…e2t*t)
e3=(e31,e32,e33…e3t*t)
?
e25=(e251,e252,e253…e25t*t)

(1)

這25個(gè)矩陣子塊進(jìn)行如下方式的分塊置亂

ei01=ei(i∶25∶t*t)
ei02=ei(i∶25∶t*t)
ei03=ei(i∶25∶t*t)
?
ei25=ei(i∶25∶t*t)

(2)

置亂后的矩陣子塊記為

Ei=(ei01,ei02,ei03…ei25)

(3)

其中， i=1,2,3…25， 將25個(gè)置亂后的矩陣子塊重新組合成為一個(gè)300*300的大矩陣E′。

(2)動(dòng)態(tài)Arnold變換：

Arnold映射的方程為

(4)

控制參數(shù)a,b， (x,y) 為明文圖像的像素位置坐標(biāo)， (xx,yy) 為置亂后圖像的像素位置坐標(biāo)。Arnold映射將原圖像中的點(diǎn) (x,y) 處的像素值存儲(chǔ)到變換后的點(diǎn) (xx,yy) 處，經(jīng)過(guò)變換后明文圖像會(huì)變得模糊，經(jīng)過(guò)多次變換后即可得到最終的加密圖像，加密圖像呈現(xiàn)為一幅雜亂無(wú)章的圖像，完全看不出明文圖像的信息。

為了消除Arnold變換周期性對(duì)于加密圖像的影響，本文采用一種動(dòng)態(tài)Arnold置亂方式分別進(jìn)行3次Arnold變換。將矩陣E′均勻分成25塊，每塊大小為60×60，如圖1所示。

圖1 E′分塊

Arnold第一次置亂：從矩陣E′中選擇矩陣子塊1,2,3,6,7,8,11,12,13組成一個(gè)3*3的矩陣A， 對(duì)其進(jìn)行 Arnold 變換。參數(shù)： a1=21, b1=1， 迭代次數(shù)： n/gcd(m/t,n/t) (gcd(m/t,n/t) 表示m/t,n/t的最大公約數(shù))，通過(guò)第一次Arnold變換后得到一個(gè)新的3*3的矩陣A′，如圖2所示。

圖2 A′分塊

Arnold第二次置亂：在矩陣A′中選擇矩陣子塊7,8,12,13分別替換E′矩陣中的矩陣子塊7,8,12,13得到新的矩陣EE。 在矩陣EE中選擇矩陣子塊7,8,9,10,12,13,14,15,17,18,19,20,22,23,24,25組成一個(gè)4*4的矩陣B， 對(duì)其進(jìn)行Arnold置亂，參數(shù)： a2=1,b2=1， 迭代次數(shù)： n/gcd(t,t)， 通過(guò)第二次Arnold變換后得到一個(gè)新的4*4的矩陣B′， 如圖3所示。

圖3 B′分塊

Arnold第三次置亂：用第二次Arnold置亂后的矩陣塊B′替換矩陣E′中的相應(yīng)位置得到矩陣大小為60*60的新矩陣EE′， 對(duì)其進(jìn)行Arnold置亂，參數(shù)： a3=1, b3=21， 迭代次數(shù)： n/gcd(m/t,n/t)， 通過(guò)第三次Arnold變換得到一個(gè)新的5*5的矩陣EE″， 該矩陣即為置亂后的密文矩陣。

1.3 擴(kuò)散算法的設(shè)計(jì)

1.3.1 混沌序列的分析

本文中用到的混沌映射分別為：Tent-Sine映射、Tent映射、Sine映射以及Logistic映射，它們的動(dòng)力學(xué)方程如下所示。

Tent-Sine映射[10]

(5)

Tent映射

(6)

Sine映射

yn+1=μ3*sin(π*yn)/4mod1

(7)

Logistic映射

wn+1=μ4wn(1-wn) w∈[0,1],μ4∈(0,4]

(8)

其中，取模是為了保證輸出的數(shù)據(jù)在區(qū)間(0,1)之間，n為迭代次數(shù)，μ1,μ2,μ3,μ4為系統(tǒng)控制參數(shù)， x0,y0,z0,w0為初始值，當(dāng)μ1∈(0,4),μ2∈(0,2),μ3∈[3.48,4] 時(shí)，映射呈現(xiàn)出混沌行為。

1.3.2 混沌序列的生成

給定密鑰

k1=345
z0=0.3789,μ1=1.1221
x0=z(1),μ2=2^(s/(m*n*255))
y0=x(1),μ3=3.496
w0=y(1),μ4=4

(9)

以上公式中s表示的是明文圖像中所有的像素值之和。

(1)將Tent-Sine映射迭代m*n次，產(chǎn)生如下序列

z={zj|j=1,2，…，m*n}

(10)

從k1+1項(xiàng)開(kāi)始選取，通過(guò)下式對(duì)序列進(jìn)行處理

z1=mod(floor(z*10^5-floor(z*10^5)*10^2),4)

(11)

得到序列

z1={zi|i=1,2，…，q}

(12)

再按照下式對(duì)序列進(jìn)行處理

Z=mod(floor(z*10^6-floor(z*10^6)*10^3),256)

(13)

得到序列

Z={Zj|j=1,2，…，m*n}

(14)

式中： q=t2, k=k1+q。

(2)分別迭代k次式(6)、式(7)，選擇序列z1中的前q-1項(xiàng)作為采樣間隔，對(duì)迭代產(chǎn)生的混沌序列x,y從第k1-1項(xiàng)開(kāi)始抽樣，再截取它們的前q項(xiàng)按照下式進(jìn)行處理

X=mod(floor(x*10^6-floor(x*10^6)*10^3),256)

(15)

Y=mod(floor(y*10^6-floor(y*10^6)*10^3),256)

(16)

得到序列

X={Xi|i=1,2，…，q}

(17)

Y={Yi|i=1,2，…，q}

(18)

其中，序列X,Y用于像素的一次擴(kuò)散，序列Z用于像素的二次擴(kuò)散。

(3)迭代式(8)3*k1次，按照下式對(duì)序列進(jìn)行處理

w=ceil(mod(w*10^13,25))

(19)

w′=w(851∶950)

(20)

在w′中從第一項(xiàng)開(kāi)始無(wú)重復(fù)的選取[1,25]中的數(shù)字，直到選滿25個(gè)數(shù)字停止，得到序列

w″={w″1,w″2，…，w″25}

(21)

為了判斷序列w″的奇偶性，對(duì)序列做如下處理

w1=mod(w″,2)

(22)

得到全為0、1的25個(gè)數(shù)組成的序列w1。

1.3.3 擴(kuò)散算法的描述

一次擴(kuò)散過(guò)程：將置亂后密文EE″均勻分成25塊大小為60*60的圖像，記為EE″1,EE″2,EE″3,…,EE″25， 表示如下

EE″1=(EE″11,EE″12,EE″13…EE″1t*t)
EE″2=(EE″21,EE″22,EE″23…EE″2t*t)
EE″3=(EE″31,EE″32,EE″33…EE″3t*t)
?
EE″25=(EE″251,EE″252,EE″253…EE″25t*t)

(23)

當(dāng)w″i中的數(shù)字是奇數(shù)時(shí)

ci=e1⊕((X+EE″w ″i)mod256⊕X)

(24)

當(dāng)w″i中的數(shù)字是偶數(shù)時(shí)

ci=e25⊕((Y+EE″w ″i)mod256⊕Y)

(25)

其中，e1，e25為明文圖像中的兩個(gè)子塊， i=1,2,3…25。 將經(jīng)過(guò)上式處理后的ci合成m*n的大矩陣得到矩陣C， 對(duì)它進(jìn)行二次擴(kuò)散

D=C⊕Z

(26)

得到最終加密圖像D。

2 算法的流程與步驟

本文加密算法的流程如圖4所示。

本文加密算法的具體步驟如下：

(1)首先選擇一幅合適的數(shù)字圖像作為明文圖像，得到明文圖像的數(shù)字矩陣E，明文圖像的大小為300*300；

(2)將E劃分為大小為60*60的矩陣子塊，得到5*5個(gè)子塊e1,e2,e3,…,e25；

(3)對(duì)e1,e2,e3,…,e25進(jìn)行分塊置亂，將25個(gè)置亂后的矩陣子塊重新組合成為一個(gè)300*300的大矩陣E′；

(4)對(duì)分塊置亂后的密文進(jìn)行動(dòng)態(tài)Arnold置亂，①將矩陣E′均勻分成25塊，選取一個(gè)大小為3*3的矩陣子塊A進(jìn)行Arnold置亂,得到變換后的A′矩陣,再用其替代矩陣E′中的A矩陣，得到一個(gè)新的大小為300*300的矩陣EE。②在矩陣EE中選擇一個(gè)大小為4×4的矩陣子塊B進(jìn)行Arnold置亂，得到變換后的B′矩陣，再用它替換矩陣EE中的B，得到一個(gè)大小為300*300的矩陣EE′。 ③對(duì)矩陣EE′進(jìn)行Arnold置亂，得到最終置亂加密矩陣EE″；

(5)迭代、處理Tent-Sine映射、Tent映射、Sine映射以及Logistic映射，得到混沌序列Z、X、Y、w″；

(6)對(duì)最終置亂后加密矩陣EE″均勻分塊，得到5*5個(gè)大小為60*60的矩陣子塊EE″1,EE″2,EE″3,…,EE″25， 對(duì)這些矩陣子塊進(jìn)行第一次擴(kuò)散加密，將一次擴(kuò)散后加密矩陣合并成300*300的矩陣C；

(7)對(duì)分塊擴(kuò)散后的加密圖像進(jìn)行第二次整體圖像的擴(kuò)散加密過(guò)程，得到的擴(kuò)散后的圖像即為最終的加密圖像D；

(8)密文圖像的解密過(guò)程也就是圖像加密過(guò)程的逆過(guò)程。用下式替代式(24)和式(25)

EE″w ″i=mod(ci⊕e1⊕X+256-X,256)

(27)

EE″w ″i=mod(ci⊕e25⊕Y+256-Y,256)

(28)

圖4 加密算法流程

3 仿真實(shí)驗(yàn)

Lena圖像實(shí)驗(yàn)仿真效果如圖5所示。利用本文設(shè)計(jì)的加密算法對(duì)圖5(a)進(jìn)行加密，分塊置亂后得到第一次置亂密文圖5(b)，從圖中可以看出圖像呈現(xiàn)出縱向的明暗分塊；再對(duì)一次置亂后的圖像進(jìn)行動(dòng)態(tài)Arnold置亂，得到最終的置亂加密圖5(c)。對(duì)圖5(c)進(jìn)行兩次擴(kuò)散得到最終加密圖5(d)。從圖5可以看出：經(jīng)過(guò)加密過(guò)程后，從最終的密文圖像中已看不出明文圖像的輪廓，最終的加密圖像變成一副密密麻麻的黑白點(diǎn)相雜的圖像，可見(jiàn)達(dá)到了加密的目的。

圖5 加密效果

4 算法統(tǒng)計(jì)特性分析

4.1 直方圖分析

直方圖分析結(jié)果如圖6所示。根據(jù)直方圖理論可知：當(dāng)每個(gè)灰度級(jí)出現(xiàn)的次數(shù)越接近，即直方圖越平穩(wěn)時(shí)，也就說(shuō)明密文圖像的安全性就越高。由圖6可知，明文和密文圖像直方圖相差很大，圖6(a)能量分布不均勻，加密后的直方圖6(b)比較平滑、像素的能量分布是均勻的，說(shuō)明密文圖像較穩(wěn)定。

圖6 明密文圖像直方圖分析

4.2 算法密鑰的空間和敏感性分析

本文設(shè)計(jì)的加密算法中，通過(guò)利用4種不同的混沌系統(tǒng)相互控制參數(shù)，在很大程度上增加了解密的難度；同時(shí)多種混沌映射的初值和參數(shù)一同作為密鑰，使得密鑰空間至少達(dá)到10240，因此算法能夠有效抵抗窮舉攻擊。

在密鑰敏感性的分析中，為了確定密鑰是否具有敏感性將Tent映射的密鑰Key減少1013，解密后無(wú)法得到正確的明文圖像，如圖7所示?？梢灾辣疚脑O(shè)計(jì)的算法具有很強(qiáng)的敏感性，即使使用與正確密鑰相差很小的密鑰進(jìn)行解密，得到的仍是與原圖不一樣的錯(cuò)誤解密圖。

圖7 不正確的解密圖像

4.3 抗差分攻擊能力分析

根據(jù)NPCR(像素改變率)、UACI(歸一化平均改變強(qiáng)度)的定義，如文獻(xiàn)[16]所描述的。D1表示密文，D2為明文圖像像素值發(fā)生改變時(shí)的密文，公式如下所示

(29)

(30)

任意取明文圖像中的坐標(biāo)(1,159)，將它改為(11,159)，得到NPCR和UACI值見(jiàn)表1。

表1 NPCR與UACI/%

從表1可以得出如下結(jié)論：本文設(shè)計(jì)的加密算法得到的NPCR和UACI值分別為99.63%和33.47%，其值更加接近于NPCR和UACI的理想值99.6094%和33.4635%；并且在與文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[13]進(jìn)行對(duì)比后，發(fā)現(xiàn)本文具有更強(qiáng)的抗差分攻擊能力。

4.4 算法信息熵分析

因?yàn)樾畔㈧厥菆D像信息不確定性的體現(xiàn)，所以如果信息熵較大，那么可視信息就會(huì)比較少；反之如果信息熵較小，那么可視信息就會(huì)較多；信息熵的理想值為8。計(jì)算公式如下所示

(31)

本文的加密算法計(jì)算的信息熵是7.9980，而文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[13]得到的信息熵分別為7.9967和7.9417，本文的信息熵明顯高于文獻(xiàn)中的信息熵，而且更加接近于理想值8，因此該算法能夠很好抗統(tǒng)計(jì)攻擊性。

4.5 相關(guān)性分析

根據(jù)相關(guān)系數(shù)r的定義，在明密文圖像中任意選擇N對(duì)像素值，分別計(jì)算明密文圖像水平、垂直和對(duì)角方向上的相關(guān)系數(shù)r，驗(yàn)證明文圖像和密文圖像相鄰像素之間的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式如下

(32)

(33)

(34)

(35)

如果 (xi,yi) 是ui的坐標(biāo)，那么當(dāng) (xi+1,yi)、 (xi,yi+1)、 (xi+1,yi+1)、 (xi-1,yi+1) 均是vi的坐標(biāo)時(shí)，最終得到的相關(guān)系數(shù)值就分別是水平方向上的相關(guān)系數(shù)、垂直方向上的相關(guān)系數(shù)、正對(duì)角上的相關(guān)系數(shù)以及反對(duì)角上的相關(guān)系數(shù)。明文圖像與密文圖像的相關(guān)性散點(diǎn)如圖8所示，相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表2。

圖8 明文圖像與密文圖像的相關(guān)性

表2 相關(guān)系數(shù)值

由圖8可以得出如下結(jié)論：明文圖像的散點(diǎn)圖無(wú)論在水平方向、垂直方向，還是對(duì)角方向上都基本呈一條直線，具有明顯的線性關(guān)系；而密文圖像的散點(diǎn)圖雜亂無(wú)章，呈現(xiàn)出散亂的點(diǎn)，在各個(gè)方向上沒(méi)有變現(xiàn)出存在任何關(guān)系。從表2看出：明文圖像的相關(guān)系數(shù)都超過(guò)0.95和1很相近，說(shuō)明具有很強(qiáng)的相關(guān)性；而密文圖像的相關(guān)系數(shù)都小于0.005接近于零，可以說(shuō)不存在相關(guān)性。從與文獻(xiàn)比較的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)本文計(jì)算的相關(guān)系數(shù)均小于文獻(xiàn)中的相關(guān)系數(shù)，說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的加密算法打亂了原始圖像中相鄰像素點(diǎn)之間的相關(guān)性，加密的效果比較好。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的加密算法是通過(guò)軟件Matlab 2017進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的，在Windows 8操作系統(tǒng)中進(jìn)行。本文設(shè)計(jì)的算法對(duì)圖像進(jìn)行了兩次置亂操作以及兩次擴(kuò)散操作，置亂算法：第一次是分塊置亂，對(duì)5*5個(gè)子塊進(jìn)行置亂；第二次是在第一次分塊置亂的基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)Aronld變換(對(duì)第一次置亂后的圖像進(jìn)行三次Arnold置亂)，最終得到置亂后的加密圖像。擴(kuò)散算法：迭代處理Tent-Sine映射、Tent映射、Sine映射以及Logistic映射分別產(chǎn)生混沌序列Z、X、Y、w″，對(duì)最終置亂后的密文圖像進(jìn)行擴(kuò)散操作。序列Z用于第二次整體擴(kuò)散，序列X、Y用于第一次分塊擴(kuò)散，經(jīng)過(guò)兩次擴(kuò)散后得到最終加密圖像。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文設(shè)計(jì)的加密算法通過(guò)混沌系統(tǒng)之間相互控制參數(shù)增大了算法的密鑰空間，解決了密文圖像容易被破解，導(dǎo)致密文信息安全性不夠高的問(wèn)題；同時(shí)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真發(fā)現(xiàn)密鑰具有很強(qiáng)的敏感性；因此該算法具有較好的加密效果，可以應(yīng)用于圖像加密中。