申请/专利权人：郑州轻工业大学

申请日：2023-11-18

公开（公告）日：2024-05-24

公开（公告）号：CN117579756B

主分类号：H04N1/44

分类号：H04N1/44;H04L9/06;H04L9/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.05.24#授权;2024.03.08#实质审查的生效;2024.02.20#公开

摘要：本发明提出了一种基于分块选取Zigzag置乱和轮盘旋转编码的图像加密方法，步骤为：计算4D超混沌系统的初始值；带入4D超混沌系统迭代得到四个混沌序列；利用混沌序列的值选取坐标值，根据随机Zigzag置乱方法置乱明文图像得到矩阵P1；将矩阵P1分成小像素块并把像素值转换成四进制，按照四进制位置乱法进行置乱得到像素矩阵P2；把像素矩阵P2按行展开为一维序列，轮盘旋转编码算法利用混沌序列对一维序列进行扩散，得到图像矩阵P3；将混沌序列转化为混沌矩阵，将混沌序列排序并把索引序列转换成索引矩阵，利用混沌矩阵将图像矩阵P3按索引矩阵双向非顺序扩散得到密文图像。本发明可以有效抵抗各种攻击，具备较好的加密效果和高度的安全性。

主权项：1.一种基于分块选取Zigzag置乱和轮盘旋转编码的图像加密方法，其特征在于，其步骤如下：步骤一：使用SHA-384算法计算大小为M×N的明文图像P的哈希值H，根据哈希值H计算4D超混沌系统的初始值；将初始值带入4D超混沌系统进行迭代得到四个混沌序列X、Y、Z和W；所述4D超混沌系统的表达式为： 其中，x、y、z、w为状态变量，为状态变量x、y、z、w的导数，a、b、c、d是影响4D超混沌系统行为的控制参数；步骤二：选取混沌序列Z和W中多组元素并分别转化为取值小于M、小于N的元素得到序列U、V，利用序列U、V的值选取坐标值，根据随机Zigzag置乱方法置乱明文图像P得到矩阵P1；所述随机Zigzag置乱方法的实现方法为：根据序列U、V得到L对坐标值，由坐标值确定明文图像P中小矩阵的范围，并依次对L组小像素矩阵进行Zigzag置乱得到矩阵P1；所述Zigzag置乱是从小像素矩阵的左上角开始，先沿垂直方向移动，然后沿对角线方向移动，不断重复这个过程，直到遍历完所有像素，将矩阵的元素按照遍历顺序提取出来排列为一维序列，再把一维序列重新转换成与小矩阵相同大小的像素矩阵；步骤三：将矩阵P1分成若干个2×2的小像素块并把每个小像素块中像素值转换成四进制，按照四进制位置乱法进行置乱得到置乱后的像素矩阵P2；所述四进制位置乱法的实现方法为：1：将矩阵P1分成若干个2×2的小像素块；2：将小像素块内的每个像素转换为四进制，每一个像素值转换为一个四位四进制数，然后把每个四进制数的四位顺序排列，每个2×2的小像素块转换为4×4的像素矩阵；3：对4×4的像素矩阵进行位置乱：每个4×4的像素矩阵重新分为四个2×2子矩阵，每个2×2子矩阵进行位置乱得到新的小矩阵，每个新的小矩阵得到新的四进制数；4：将新的四进制数重新转换为十进制，得到2×2的新的小像素块；5：将2×2的新的小像素块合并，得到M×N的像素矩阵P2；步骤四：将混沌序列X的值映射到1-8的范围内得到序列X′，将混沌序列Y的值转化为0或1得到序列Y′；把像素矩阵P2按行展开为一维序列，轮盘旋转编码算法利用序列X′、Y′对一维序列进行扩散，把扩散后的一维序列重新转换成矩阵得到图像矩阵P3；所述轮盘旋转编码算法为基于多阶轮盘旋转编码的四阶轮盘编码算法，首先将像素矩阵P2转换为一维序列，并将一维序列中的数字划分为每四个一组，每次取出一组数，把一组数中的四个数分别转换为八位二进制；按照从高位到低位的顺序将四个数的八位二进制顺时针排列在轮盘点上，且四个数按照从轮盘的外环向内环的顺序排列；接着使用序列X′和Y′控制每阶轮盘的旋转角度和方向，每个轮盘可以顺时针或逆时针旋转45×i3°，i3＝1,2,3,4,5,6,7,8，旋转之后重新按列提取比特位，得到四个新的八位二进制数，将提取出的四个二进制数转换为十进制；继续提取下一组数执行相同的操作，直到所有数都完成了旋转操作，得到新的像素矩阵；步骤五：将混沌序列Z和W分别转化为取值为0-255的序列Z1、W1并分别转化为混沌矩阵Z′、W′；将混沌序列X按升序排列得到索引序列，将索引序列转换为大小为M×N的矩阵作为索引矩阵I，利用混沌矩阵Z′、W′将矩阵P3按索引矩阵I的索引顺序双向非顺序扩散，得到密文图像C；对矩阵P3进行双向扩散的方法为：正向扩散： 反向扩散： 其中，n＝i-1×N+j，i∈[1,M]，j∈[1,N]，Inx、Iny为索引矩阵I中序号n所对应的行、列的坐标值；为异或运算，C1i,j、Z′i,j、W′i,j、Ci,j分别为中间矩阵C1、混沌矩阵Z′、W′和密文图像C的第i行、第j列的元素值。

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