一种基于一维可逆记忆细胞自动机的数字图像置乱方法与流程

本发明属于信息安全领域中的图像保密技术，涉及图像置乱技术，具体涉及一种基于一维可逆记忆细胞自动机的图像置乱方法。

背景技术：

数字图像置乱是指将图像做处理并得到视觉上随机和无意义的效果，消除图像信息的相关性，从而使得人类或计算机系统无法获得关于原始图像的任何信息。数字图像的置乱技术，可以看作数字图像加密的一种方式，其可以用于数字图像隐藏、数字图像秘密共享和数字水印图像植入的预处理和后处理过程。

常见的图像置乱方法有幻方变换、混沌排序方法、arnold变换、fibonacci-q变换、hilbert曲线、骑士巡游变换、基于细胞自动机的置乱方法等。其中，混沌排序的图像置乱方法是先利用混沌映射产生伪随机序列，然后对产生的伪随机序列进行排序得到置换地址集合，最后利用置换地址集合完成图像的置乱，该方法的不足之处是需要实值运算，所以效率不高。此外，现有基于细胞自动机的置乱方法分别有基于一维细胞自动机和基于二维细胞自动机的置乱方法，前者需要生成和使用伪随机数序列，后者需要生成和使用二维伪随机数矩阵。本发明不需要生成和使用大量的伪随机数序列(涉及随机数的部分也仅选择和发布(n-1)个随机数)，也不需要使用二维伪随机数矩阵，但仍能实现图像置乱的效果；

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于一维可逆记忆细胞自动机的图像置乱方法，与现有基于细胞自动机的置乱方法相比，本发明充分利用细胞自动机方法自身具备的混淆和扩散特性，不需要生成和使用大量的伪随机数序列，也不需要使用二维伪随机数矩阵，实现过程更加简洁；

其具体技术方案如下：一种基于一维可逆记忆细胞自动机的图像置乱方法，具体实施步骤如下：

步骤1.读取明文灰度图像的二维像素矩阵iw×h，w是图像的宽度，h是图像的高度，均以像素计；将上述二维像素矩阵iw×h转换为一维像素序列p1,p2,...,pw×h，再分为n个部分，最后把每个部分扩展为一维比特序列

步骤2.根据明文灰度图像的宽度w和高度h、计划分割的图像块数量n确定每个初始配置中的细胞总数n为再确定邻居半径r的值，r的取值范围为

步骤3.选择和发布(n-1)个随机数ω1,ω2,...,ωn-1，其中1≤ωj≤2^2r+1-1，1≤j≤n-1，这些随机数由一个安全的伪随机数生成器所产生；

步骤4.根据步骤2和步骤3中的参数构造n阶一维可逆记忆细胞自动机，演化规则如下：

其中0≤i≤n-1，是规则数为ωj的局部转换函数，且1≤j≤n-1，t表示某一时刻。

步骤5.将这n份比特流作为一维可逆记忆细胞自动机的初始配置；

步骤6.根据步骤4中的演化规则来演化一维可逆记忆细胞自动机，至少演化n步，得到新的n份配置；

步骤7.将步骤6生成的n份配置视为比特流，用它们组合成一维像素序列p′1,p′2,...,p′w×h，再将一维像素序列p′1,p′2,...,p′w×h转换为二维像素矩阵，即可得到置乱后的密文图像。

其中，步骤1使用了明文灰度图像，本发明也适用于彩色图像。如果将本发明用于彩色图像，考虑到一个彩色像素对应3个字节，则步骤1中一维像素序列的内容为p1,p2,...,pw×h×3，每个部分扩展为一维比特序列的内容为其他步骤中的相关值做相应调整。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下效果：

本发明与基于混沌排序的图像置乱方法相比，基于一维可逆记忆细胞自动机的图像置乱方法只需要进行整数运算和模运算，并且细胞自动机的并行计算的特点使得本发明可以在多核计算设备上进行高速高效的图像置乱处理。

本发明与现有基于细胞自动机的图像置乱方法相比，不需要生成和使用大量的伪随机数序列，不需要使用二维伪随机数矩阵，实现过程更加简洁，更充分地利用了细胞自动机方法自身具备的混淆和扩散特性。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的明文图像。

图2为本发明实施例所提供的置乱过后的密文图像。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。应当明确，所描述的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明一种基于一维可逆记忆细胞自动机的图像置乱方法的一个实施例中，明文图像为256×256的灰度图像，灰度图像的每一个像素由8比特组成，如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤1.读取明文灰度图像的二维像素矩阵i256×256，图像的宽度为256个像素，图像的高度为256个像素；将上述二维像素矩阵i256×256转换为一维像素序列p1,p2,...,p65536，再分为4个部分，最后把每个部分扩展为一维比特序列

步骤2.已知明文图像的宽度为256个像素，高度为256个像素，计划分割的图像块数量为4，所以可确定每个初始配置中的细胞总数为131072，再确定邻居半径r的值为2；

步骤3.选择和发布3个随机数，每个随机数的值都为1；

步骤4.根据步骤2和步骤3中的参数构造4阶一维可逆记忆细胞自动机，演化规则如下：

其中0≤i≤131071，是规则数为ωj的局部转换函数，且1≤j≤3。

步骤5.将步骤1中的4份比特流作为一维可逆记忆细胞自动机的初始配置；

步骤6.根据步骤4中的演化规则来演化一维可逆记忆细胞自动机，演化4步，得到新的4份配置；

步骤7.将步骤6生成的4份配置视为比特流，用它们组合成一维像素序列p′1,p′2,...,p′65536，再将一维像素序列p′1,p′2,...,p′65536转换为二维像素矩阵，即可得到置乱后的密文图像，如图2所示。

基于本发明实施例实现的基于一维可逆记忆细胞自动机的图像置乱方法，运算效率高，不需要生成和使用大量的伪随机数序列，并且细胞自动机的并行计算的特点使得本发明可以在目前广泛普及的多核计算设备上进行高速高效的图像置乱处理。本发明所得到的置乱图像看起来是完全随机的，能够抵抗统计分析的攻击。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。