基于LFSR和1DCICM系统的彩色图像加密算法

本发明涉及图像加密领域，特别是一种基于lfsr和1dcicm系统的彩色图像加密算法。

背景技术：

1、计算机技术的飞速发展给用户带来机遇的同时，也时刻影响着用户的生活方式。当今互联网时代，用户在网络平台上不断地进行信息共享和传输，其中数字图像作为一种使用最为快捷、生动的载体形式被用户频繁的使用，但这种便捷的交流方式也会引发信息泄漏事件，造成巨大的危机。另外，数字图像具有比文本信息更大的数据量、更强的相关性，传统的文本加密方式对于数字图像不再适用，因此，在当今时代，针对数字图像的加密方法是重要的研究课题。

2、近年来，基于混沌理论的图像加密方案因其加密速度快，安全性高的特点受到了科研人员的青睐。因此，基于混沌理论的图像加密方案不断被提出和改良。但绝大多数基于混沌理论的图像加密方案使用单个低维混沌系统，虽然结构简单、易操作，但难以保障整个加密算法的安全性。为了解决使用单一低维混沌系统产生的问题，本发明使用了一种由经典一维混沌系统复合而成的混沌系统。该复合混沌系统既能解决低维混沌系统带来的低安全性问题，又能解决高维混沌系统的高时间消耗的问题。此外，为了进一步保障加密算法的安全性，本发明将混沌理论与其他理论结合使用。

3、与混沌理论相结合的图像加密算法是现今加密算法的研究热点，但是此类加密方案中的大多数加密算法存在明文与密钥毫无关联性，算法中密钥敏感性弱的问题。为了解决这一问题，算法使用的部分密钥是由明文像素生成的，使得算法具备抵抗明文攻击的能力。另外，算法引入了线性反馈移位寄存器(lfsr)的原理，使用lfsr原理生成序列参与整个加密流程，大大增加了算法的复杂程度，也增加了算法被破译的难度。

技术实现思路

1、本发明的目的是提出了一种基于lfsr和1dcicm系统的彩色图像加密算法。该方案使用多种方式生成算法有关密钥，不仅增大密钥空间和抵御穷举攻击的能力，而且加强了密钥与明文图像、密文图像之间的关联；此外，线性反馈移位寄存器原理生成的伪随机序列与改进一维复合混沌系统生成的混沌序列相结合生成最终密钥序列，极大地增强了算法的随机性和安全性。

2、基于lfsr和1dcicm系统的彩色图像加密算法，其特征在于，包括以下步骤：

3、步骤s1：明文图像进行通道分解以及进制转换操作。首先，输入彩色明文图像p，大小为mn，将彩色图像分解为r、g、b通道矩阵；然后，将各分量矩阵转为二进制序列：

4、

5、其中，dec2bin()是十进制转换为二进制的函数。

6、步骤s2：生成与算法有关的密钥μ、k；

7、(1)与明文有关密钥μ

8、使用明文图像p的最大值生成密钥μ：

9、

10、其中，max()为取最值函数，ceil()为向上取整函数。

11、(2)随机数函数生成密钥k

12、利用随机数函数生成外部密钥k：

13、

14、其中，unidrnd(n)函数可以生成最值不超过n的随机正整数，dec2bin()是十进制转换为二进制的函数。

15、步骤s3：将步骤s2中生成的密钥μ和已知密钥a，b，c分别作为1dcicm系统的控制参数和初值，系统迭代500+mn次，为了序列的随机性，抛弃前500次迭代的结果，得到混沌序列seq；

16、步骤s4：利用步骤s2中生成密钥k和线性反馈移位寄存器原理生成lfsr序列lfsr_seq：

17、步骤s41：lfsr序列lfsr_seq的初始化：

18、

19、其中，zeros()用来生成全零序列，dec2bin()是十进制转换为二进制的函数。

20、步骤s42：将二进制序列处理为双精度：

21、lfsr_seq{i}＝lfsr_seq{i}-′0′,i＝1,2,...,mn

22、步骤s43：将密钥k进行处理，同样变为双精度：

23、seed＝k-′0′

24、步骤s44：根据线性反馈移位寄存器原理，先计算1fsr_seq{1}的值：

25、

26、new_bit＝[seed(2:8)new_bit]

27、lfsr_seq{1}＝new_bit

28、其中，xor()是异或函数。

29、步骤s45：lfsr_seq{2}，lfsr_seq{3}，...,lfsr_seq{mn}的生成与lfsr_seq{1}的生成类似，但是前后元素间存在相互影响的关系，提高了生成序列的随机性，生成过程如下：

30、

31、i＝2,3,...,mn

32、new_bit＝[lfsr_seq{i-1}(2:8)new_bit]

33、lfsr_seq{i}＝new_bit

34、其中，xor()是异或函数。

35、步骤s5：将步骤s3中得到的混沌序列seq和步骤s4中得到的lfse序列lfsr_seq进行异或操作，得到最终密钥序列final_seq：

36、final_seq{i}＝xor(seq{i},lfsr_seq{i}),i＝1,2,...,mn

37、其中，xor()为异或函数。

38、步骤s6：将各个分量的二进制序列与最终密钥序列final_seq进行异或操作：

39、

40、其中，xor()是异或函数。

41、步骤s7：将扩散后的各分量矩阵进行合并，得到密文图像；

42、步骤s8：对图像进行解密处理：

43、(1)将密文图像c分解为三通道矩阵和进制转换；

44、(2)生成混沌序列和lfsr序列；

45、(3)将混沌序列和lfsr序列异或后，生成最终密钥序列；

46、(4)将各通道矩阵与最终密钥序列进行异或操作，通道矩阵合并后，得到解密图像。

47、上述技术方案的有益效果在于：

48、(1)本发明将线性反馈移位寄存器的原理应用于图像加密，使其成为高效的伪随机数生成器，提高了算法的随机性。

49、(2)本发明使用的混沌系统为1dcicm系统，该混沌系统为一维复合混沌系统，有效的避免了经典低维混沌系统的不足，具有混沌特性明显、运行效率高的特性，并且增大了算法的密钥空间。

50、(3)算法中利用明文图像像素的最大值、随机数函数等方式生成密钥，并且与已知密钥相结合，算法抵抗暴力攻击能力进一步增强。

技术特征：

1.一种基于lfsr和1dcicm系统的彩色图像加密算法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于lfsr和1dcicm系统的彩色图像加密算法，其特征在于：所述步骤s2中密钥的生成步骤如下：

3.根据权利要求1所述的基于lfsr和1dcicm系统的彩色图像加密算法，其特征在于：所述步骤s3中采用的1dcicm系统，其数学定义公式如下：

4.根据权利要求1所述的基于lfsr和1dcicm系统的彩色图像加密算法，其特征在于：所述步骤s4中lfsr序列1fsr_seq的生成步骤如下：

5.根据权利要求1所述的基于lfsr和1dcicm系统的彩色图像加密算法，其特征在于：所述步骤s6中各个通道分量与最终密钥序列final_seq的异或操作如下：

6.根据权利要求1所述的基于lfsr和1dcicm系统的彩色图像加密算法，其特征在于：所述步骤s8中的图像解密过程步骤如下：

技术总结
本发明提出了一种基于LFSR和1DCICM系统的彩色图像加密算法，属于图像加密技术领域，技术方案：该发明的主要过程包括：彩色图像划分R、G、B通道，R、G、B通道进制转换；生成算法有关的密钥；1DCIM混沌序列以及LFSR序列的生成；1DCCIM混沌序列和LFSR序列进行异或操作，生成最终的密钥序列；最终密钥序列和R、G、B通道分量各自进行异或操作，得到最终的密文图像。有益效果：本发明所提出的加密算法具有很强的密钥敏感性、明文相关性，足以抵抗各类常见攻击，并且具备一定的时间效率。

技术研发人员：刘爽,秦秋霞,孟佳娜,左莉,于玉海
受保护的技术使用者：大连民族大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13