技术摘要：
本发明公开了一种基于空间扩散结构的并行图像加密系统，通过会话密钥生成模块对添加了真随机数的明文图像进行计算生成会话密钥；密钥序列生成模块生成密钥序列，并结合转置模块对密钥序列进行转置得到密钥矩阵；通过初始向量生成模块生成扩散操作所需的初始化向量，通 全部
背景技术：
近年来，伴随着云计算、物联网和人工智能等新一代信息技术的广泛应用，数字图 像正日益成为当今最重要的信息载体之一，图像数据的保密安全通信已成为业界重点关注 领域。AES和3DES等传统的分组加密算法针对文本数据进行设计，很难高效地处理强内在相 关、高冗余度的图像数据，日益凸显的信息安全问题促使研究人员提出了很多针对图像特 点的加密算法。 混沌系统尤其是超混沌系统具有复杂的动力学特性，其初始极端敏感性、内在随 机性和遍历性等基本特性天然的与密码学关联，混沌密码学的发展催生了一批优秀的图像 加密算法。混沌加密方案普遍采用置乱-替换结构，首先通过像素的全局位置打乱，破坏相 邻像素之间的相关性，然后将像素展开成一维序列，利用密钥序列进行加密完成像素的替 换，彻底混淆密文图像与明文图像之间的关系。然而，像素替换操作中严重依赖密文分组链 接模式实现信息在密文图像上的扩散，逐像素的串行处理方式严重制约了现有混沌图像加 密算法的运行效率。 为了克服串行加密的固有缺陷，先后涌现了一些提升运行效率的设计方案。通过 舍弃图像频域的高频分量，能够减少加密数据量，但是不适于处理高清图像和医学影像等 数据。图像分块处理，DNA编码加密，GPU并行计算等并行化方案的提出为数字图像的高效无 损加密提供了新的思路，但是其内在的加密模式仍然为串行，扩散不充分也导致明文敏感 性有所减弱，且运行效率较低。
技术实现要素：
发明目的：本发明为了解决现有技术的不足，提供了一种基于空间扩散结构的并 行图像加密系统及方法，确保数据被高强度加密的同时具有很高的运行效率。 本发明采用的技术方案：一种基于空间扩散结构的并行图像加密系统，包括： 会话密钥生成模块，对添加了真随机数的明文图像进行散列函数计算，生成会话 密钥，同时对散列值进行量化产生混沌系统所需的初始值参数和预迭代次数； 密钥序列生成模块，基于超混沌系统结合初始值参数和预迭代次数生成密钥序 列，并结合转置模块对密钥序列进行转置得到密钥矩阵； 初始化向量生成模块，通过量化logistic生成的原始混沌序列来生成初始化向 量； 空间扩散加密模块，包括初始向量更新模块、行并行加密模块、列并列加密模块， 其中初始向量更新模块在每一轮扩散前更新加密所需的初始化向量，行并行加密模块通过 密文分组链接模式结合当前初始化向量及密钥矩阵对明文图像进行两轮逐行加密处理，列 5 CN 111597574 A 说 明 书 2/10 页 并列加密模块通过密文分组链按模式结合当前初始化向量及密钥矩阵对明文图像进行两 轮逐列加密处理。 一种基于空间扩散结构的并行图像加密方法，包括如下步骤： S1、块对添加了真随机数的明文图像进行散列函数计算产生散列值，并对散列值 进行量化，产生混沌系统迭代所需的初始值参数和预迭代次数； S2、基于超混沌系统结合步骤S1产生的初始值参数和预迭代次数生成一维密钥序 列，对一维密钥序列进行转置得到二维密钥矩阵； S3、通过logistic映射结合预迭代次数生成第一轮扩散所需的初始化向量； S4、通过密文分组链接模式结合初始化向量及二维密钥矩阵对明文图像进行四轮 扩散加密获得加密图像，其中第一轮和第二轮扩散加密为逐行扩散加密，第三轮和第四轮 扩散加密为逐列扩散加密，且每轮扩散加密前更新此轮加密过程所需的初始化向量。 优选的，所述步骤S1中散列值的计算过程为： S11、将尺寸为M×N的灰度明文图像P转换为长度M×N的一维序列S0； S12、通过程序按口从Random.org网站获取一个真随机数Strn∈[0，255]； S13、将StrnStrn和S0进行拼按，即S1＝[S0，Strn]，利用SHA-256算法计算散列值， 得SK＝Hash[S1，‘SHA-256']，SK即为长度256比特的会话密钥。 优选的，所述步骤S1中混沌系统迭代所需的仞始值参数和预迭代次数通过 hex2dec函数运算得到，其中初始值参数运算公式为： xi(1)＝hex2dec(SK(i×12 1：i×12 12))×2-48，i∈{0，1，2，3，4)； 超混沌预迭代次数运算公式为：h1＝hex2dec(SK(61：62))； 混沌预迭代次数运算公式为：h2＝hex2dec(SK(63：64))。 优选的，所述步骤S2的具体步骤为： S21、建立超混沌系统方程为： 其中a，b，c，d，e和f为系统的控制参数，系统在a＝10，b＝5，c＝2，d＝-16，e＝1.5， f＝-50时具有两个正的Lyapunov指数； S22、通过初始值运算公式计算超混沌系统的四个初始值{x1(1)，x2(1)，x3(1)，x4 (1))，输入超混沌系统进行预迭代h1次，得到一组新的状态值{x1，x2，x3，x4)； S23、仞始化一个空序列K，B； S24、将状态值{x1，x2，x3，x4}放入序列B，按照规则对序列B进行改造，其改造规则 为： 6 CN 111597574 A 说 明 书 3/10 页 S25、将序列K1，K2加入序列K，即序列K＝{K，K1，K2}，清空B，K1和K2序列； S26、重复[MN/8」 1次执行步骤S24和S25，生成一个长度为MN 8的一维密钥序列 K (1，1：M)； S27、将一维密钥序列K(1，1：M)转职成二维密钥矩阵K(M，N)。 优选的，所述步骤S3中第一轮扩散所需的初始化向量的生成方法为： S31、通过初始值运算公式计算得到初始值x5(1)，并将该初始值输入logistic映 射 xn 1＝4xn(1-xn)中，进行预迭代h2次； S32、使用logistic映射进行迭代运算生成长度为N的原始混沌序列x0； S33、通过公式IV＝mod(x ×10150 ，256)生成第一轮扩散操作所需的行仞始化向量。 优选的，所述步骤S4中四轮扩散加密步骤为： S41、第一轮逐行扩散加密，其初始化向量C1(0，：)＝IV，分别将密钥矩阵的第i行 与待加密的第i行灰度值和已加密的第i-1行灰度值相加后进行模256运算，产生的两个中 间结果进行比特亦，得到第i行的加密灰度值： S42、第二轮逐行扩散加密，更新初始化向量C2(0，：)＝C1(M，：)，重复加密步骤： S43、第三轮逐列扩散加密，其初始化向量C3(0，：)＝C2(：，N)，分别将密钥矩阵的 第j 列与待加密的第j列灰度值和已加密的第j-1列灰度值相加后进行模256运算，产生的 两个中间结果进行比特亦，得到第j列的加密灰度值： S44、第四轮逐列扩散加密，其初始化向量C3(0，：)＝C2(：，N)，重复加密步骤： 有益效果：本发明所揭示的一种基于空间扩散结构的并行图像加密方法，使用混 沌系统产生的密钥矩阵逐行、逐列的对明文图像进行并行加密，在二维空间上应用密文分 组链按模式，将每个明文像素的信息快速均匀的扩散到每个密文像素中，彻底混淆明文图 7 CN 111597574 A 说 明 书 4/10 页 像和密文图像之间的关系；同时遵循“一次一密”的原则，通过在会话密钥生成阶段引入真 随机数，确保了同样的明文图像加密也会产生完全不同的密文图像；此外该算法的时间复 杂度为O(n)，执行效率高。 附图说明 图1是本发明实施例中加密系统的框架图； 图2是本发明实施例中空间并行扩散加密流程示意图； 图3是本发明抗统计攻击性能分析是三幅明文图像的灰度直方图； 图4是本发明抗统计攻击性能分析是三幅密文图像的灰度直方图； 图5是本发明抗差分攻击分析时NPCR值变化曲线图； 图6是本发明抗差分攻击分析时UACI值变化曲线图； 图7是本发明会话密钥的敏感性分析是不同密钥解密图。
本发明公开了一种基于空间扩散结构的并行图像加密系统，通过会话密钥生成模块对添加了真随机数的明文图像进行计算生成会话密钥；密钥序列生成模块生成密钥序列，并结合转置模块对密钥序列进行转置得到密钥矩阵；通过初始向量生成模块生成扩散操作所需的初始化向量，通 全部
背景技术：
近年来，伴随着云计算、物联网和人工智能等新一代信息技术的广泛应用，数字图 像正日益成为当今最重要的信息载体之一，图像数据的保密安全通信已成为业界重点关注 领域。AES和3DES等传统的分组加密算法针对文本数据进行设计，很难高效地处理强内在相 关、高冗余度的图像数据，日益凸显的信息安全问题促使研究人员提出了很多针对图像特 点的加密算法。 混沌系统尤其是超混沌系统具有复杂的动力学特性，其初始极端敏感性、内在随 机性和遍历性等基本特性天然的与密码学关联，混沌密码学的发展催生了一批优秀的图像 加密算法。混沌加密方案普遍采用置乱-替换结构，首先通过像素的全局位置打乱，破坏相 邻像素之间的相关性，然后将像素展开成一维序列，利用密钥序列进行加密完成像素的替 换，彻底混淆密文图像与明文图像之间的关系。然而，像素替换操作中严重依赖密文分组链 接模式实现信息在密文图像上的扩散，逐像素的串行处理方式严重制约了现有混沌图像加 密算法的运行效率。 为了克服串行加密的固有缺陷，先后涌现了一些提升运行效率的设计方案。通过 舍弃图像频域的高频分量，能够减少加密数据量，但是不适于处理高清图像和医学影像等 数据。图像分块处理，DNA编码加密，GPU并行计算等并行化方案的提出为数字图像的高效无 损加密提供了新的思路，但是其内在的加密模式仍然为串行，扩散不充分也导致明文敏感 性有所减弱，且运行效率较低。
技术实现要素：
发明目的：本发明为了解决现有技术的不足，提供了一种基于空间扩散结构的并 行图像加密系统及方法，确保数据被高强度加密的同时具有很高的运行效率。 本发明采用的技术方案：一种基于空间扩散结构的并行图像加密系统，包括： 会话密钥生成模块，对添加了真随机数的明文图像进行散列函数计算，生成会话 密钥，同时对散列值进行量化产生混沌系统所需的初始值参数和预迭代次数； 密钥序列生成模块，基于超混沌系统结合初始值参数和预迭代次数生成密钥序 列，并结合转置模块对密钥序列进行转置得到密钥矩阵； 初始化向量生成模块，通过量化logistic生成的原始混沌序列来生成初始化向 量； 空间扩散加密模块，包括初始向量更新模块、行并行加密模块、列并列加密模块， 其中初始向量更新模块在每一轮扩散前更新加密所需的初始化向量，行并行加密模块通过 密文分组链接模式结合当前初始化向量及密钥矩阵对明文图像进行两轮逐行加密处理，列 5 CN 111597574 A 说 明 书 2/10 页 并列加密模块通过密文分组链按模式结合当前初始化向量及密钥矩阵对明文图像进行两 轮逐列加密处理。 一种基于空间扩散结构的并行图像加密方法，包括如下步骤： S1、块对添加了真随机数的明文图像进行散列函数计算产生散列值，并对散列值 进行量化，产生混沌系统迭代所需的初始值参数和预迭代次数； S2、基于超混沌系统结合步骤S1产生的初始值参数和预迭代次数生成一维密钥序 列，对一维密钥序列进行转置得到二维密钥矩阵； S3、通过logistic映射结合预迭代次数生成第一轮扩散所需的初始化向量； S4、通过密文分组链接模式结合初始化向量及二维密钥矩阵对明文图像进行四轮 扩散加密获得加密图像，其中第一轮和第二轮扩散加密为逐行扩散加密，第三轮和第四轮 扩散加密为逐列扩散加密，且每轮扩散加密前更新此轮加密过程所需的初始化向量。 优选的，所述步骤S1中散列值的计算过程为： S11、将尺寸为M×N的灰度明文图像P转换为长度M×N的一维序列S0； S12、通过程序按口从Random.org网站获取一个真随机数Strn∈[0，255]； S13、将StrnStrn和S0进行拼按，即S1＝[S0，Strn]，利用SHA-256算法计算散列值， 得SK＝Hash[S1，‘SHA-256']，SK即为长度256比特的会话密钥。 优选的，所述步骤S1中混沌系统迭代所需的仞始值参数和预迭代次数通过 hex2dec函数运算得到，其中初始值参数运算公式为： xi(1)＝hex2dec(SK(i×12 1：i×12 12))×2-48，i∈{0，1，2，3，4)； 超混沌预迭代次数运算公式为：h1＝hex2dec(SK(61：62))； 混沌预迭代次数运算公式为：h2＝hex2dec(SK(63：64))。 优选的，所述步骤S2的具体步骤为： S21、建立超混沌系统方程为： 其中a，b，c，d，e和f为系统的控制参数，系统在a＝10，b＝5，c＝2，d＝-16，e＝1.5， f＝-50时具有两个正的Lyapunov指数； S22、通过初始值运算公式计算超混沌系统的四个初始值{x1(1)，x2(1)，x3(1)，x4 (1))，输入超混沌系统进行预迭代h1次，得到一组新的状态值{x1，x2，x3，x4)； S23、仞始化一个空序列K，B； S24、将状态值{x1，x2，x3，x4}放入序列B，按照规则对序列B进行改造，其改造规则 为： 6 CN 111597574 A 说 明 书 3/10 页 S25、将序列K1，K2加入序列K，即序列K＝{K，K1，K2}，清空B，K1和K2序列； S26、重复[MN/8」 1次执行步骤S24和S25，生成一个长度为MN 8的一维密钥序列 K (1，1：M)； S27、将一维密钥序列K(1，1：M)转职成二维密钥矩阵K(M，N)。 优选的，所述步骤S3中第一轮扩散所需的初始化向量的生成方法为： S31、通过初始值运算公式计算得到初始值x5(1)，并将该初始值输入logistic映 射 xn 1＝4xn(1-xn)中，进行预迭代h2次； S32、使用logistic映射进行迭代运算生成长度为N的原始混沌序列x0； S33、通过公式IV＝mod(x ×10150 ，256)生成第一轮扩散操作所需的行仞始化向量。 优选的，所述步骤S4中四轮扩散加密步骤为： S41、第一轮逐行扩散加密，其初始化向量C1(0，：)＝IV，分别将密钥矩阵的第i行 与待加密的第i行灰度值和已加密的第i-1行灰度值相加后进行模256运算，产生的两个中 间结果进行比特亦，得到第i行的加密灰度值： S42、第二轮逐行扩散加密，更新初始化向量C2(0，：)＝C1(M，：)，重复加密步骤： S43、第三轮逐列扩散加密，其初始化向量C3(0，：)＝C2(：，N)，分别将密钥矩阵的 第j 列与待加密的第j列灰度值和已加密的第j-1列灰度值相加后进行模256运算，产生的 两个中间结果进行比特亦，得到第j列的加密灰度值： S44、第四轮逐列扩散加密，其初始化向量C3(0，：)＝C2(：，N)，重复加密步骤： 有益效果：本发明所揭示的一种基于空间扩散结构的并行图像加密方法，使用混 沌系统产生的密钥矩阵逐行、逐列的对明文图像进行并行加密，在二维空间上应用密文分 组链按模式，将每个明文像素的信息快速均匀的扩散到每个密文像素中，彻底混淆明文图 7 CN 111597574 A 说 明 书 4/10 页 像和密文图像之间的关系；同时遵循“一次一密”的原则，通过在会话密钥生成阶段引入真 随机数，确保了同样的明文图像加密也会产生完全不同的密文图像；此外该算法的时间复 杂度为O(n)，执行效率高。 附图说明 图1是本发明实施例中加密系统的框架图； 图2是本发明实施例中空间并行扩散加密流程示意图； 图3是本发明抗统计攻击性能分析是三幅明文图像的灰度直方图； 图4是本发明抗统计攻击性能分析是三幅密文图像的灰度直方图； 图5是本发明抗差分攻击分析时NPCR值变化曲线图； 图6是本发明抗差分攻击分析时UACI值变化曲线图； 图7是本发明会话密钥的敏感性分析是不同密钥解密图。
