一种基于改进的交叉耦合映射格的互补性嵌入图像加密方法

本发明涉及图像加密，具体而言，尤其涉及一种基于改进的交叉耦合映射格的互补性嵌入图像加密方法。

背景技术：

1、随着信息传输技术的发展，数字图像作为一种信息传输形式被广泛应用于军事、商业、医疗和社会领域。为了保护图像信息，图像安全已成为许多学者研究的热点。常用的保护图像的方法包括数据隐藏、图像散列、图像隐写术和图像加密。图像加密主要通过将具有显著特征的像素改变为随机像素来隐藏信息。该加密方法易于实现，具有很高的可扩展性，尤其是随着混沌理论的发展，基于混沌的图像加密算法已成为研究热点之一。

2、时空混沌系统同时在时间和空间序列中生成伪随机序列。因此，与低阶混沌系统相比，它们具有更复杂的动力学行为和混沌特性。kaneko首先提出了耦合晶格模型(cml)，开创了时空混沌模型的先例。meherzi等人提出了一种同步且不可预测的时空混沌系统(sccml)。zhou等人结合pwlcml和sin混合时空混沌系统，提出了二维混合耦合ps映射。(2dmcpm)。liu等人通过引入帐篷映射，提出了一种称为(cml-ud)的耦合混沌映射格。然而，上述时空混沌系统缺乏晶格的动态链接，空间的迭代模式始终与时间序列保持不变，参数范围狭窄，无法完全满足密码要求。

3、图像加密策略对加密图像安全性的影响至关重要，许多学者提出了不同的加密策略。neto等人提出了一种用于多参数分数理论变换的加密方法，其中通过构造具有选定参数的数论变换特征基来加密图像；kang等人提出了一种保持真实性的多参数分数hartley变换，其中预处理图像被转移到变换域中，并通过非相邻耦合映射网格系统进一步加密；xian等人定义了一个具有迭代、自相似和更好周期性的双参数分形排序矩阵，并将其与用于图像加密的逻辑混沌系统相结合。但上述这些策略作用于整个图像，并对重要和非重要区域执行相同的加密操作，缺乏对重要信息的独特保护。wang等人提出了一种私人图像加密算法，通过对重要人脸信息的身份进行双重加密，确保重要信息的安全。

4、综上，现有的图像加密方法存在以下问题：

5、现有的时空混沌系统缺乏晶格的动态联系，空间的迭代模式始终与时间序列保持不变，参数范围狭窄，不能完全满足密码要求，给图像加密的安全性带来了隐患。

6、现有的图像加密方案绝大多数作用于整张图像，对重要和非重要区域执行相同的加密操作，缺乏对重要信息的独特保护。

技术实现思路

1、根据上述提出的技术问题，提供一种基于改进的交叉耦合映射格的互补性嵌入图像加密方法。本发明建立一种改进的正弦交叉耦合映射格(isccml)，提高密码特征，包括：建立分形乱序矩阵(fdm)，用于图像位置的置乱；提出了一种互补性嵌入加密策略，该策略首先识别机场区域，然后替换最佳相似区域，并通过互补嵌入算法将机场图像嵌入到随机位置，从而生成一张视觉混淆图像用于保护重要信息。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、一种基于改进的交叉耦合映射格的互补性嵌入图像加密方法，包括：

4、建立改进的正弦交叉耦合映射格模型；

5、检测明文图像p，识别并获得机场坐标(x1，y1，w，h)，随机选择一个坐标点(x2，y2)并通过互补性嵌入算法以获得视觉混淆图像p_com；

6、基于明文图像p，由sha-384及原图生成秘钥k，并根据秘钥k计算模型参数及初始值

7、对建立的改进的正弦交叉耦合映射格模型进行迭代，获得矩阵b，将矩阵b转换为一位数组并取最后r×c个数据得到b；

8、分配初始矩阵a1并迭代到适当的大小以获得分形乱序矩阵am；选择前r行和前c列组成一维数组，对一维数组进行排序以获得索引数组s；

9、分别对彩色图像中的3个通道r、g和b进行同步动态置乱扩散操作，得到子加密图像r_c，g_c和b_c；

10、将子加密图像r_c，g_c和b_c组装成最终的加密图像c。

11、进一步地，所述建立改进的正弦交叉耦合映射格模型，具体为：

12、

13、其中，控制参数μ和在范围[1.132,+∞)内；对于偶数格，xn+1取决于上一次迭代的非相邻格，边界条件为p＝0时p＝l，q＝0时q＝l；对于奇数晶格，动态耦合系数和边界条件为i＝1时i–1＝l，i＝l时i+1＝1；上式中，h(x)表示改进的一维正弦混沌映射，x表示该映射的混沌序列，μ表示该映射的参数，mod1表示取模1的操作，i、p和q表示不同的格子，j和k为正整数，modl表示取模l的操作，xn+1(i)表示第i个格子产生的时空混沌序列，xn(i)表示在当前时间序列为n时第i个格子的值，e表示该模型的参数，xn(p)表示在当前时间序列为n时第p个格子的值，xn(q)表示在当前时间序列为n时第q个格子的值，en表示该模型的动态参数，xn+1(i-1)表示在当前时间序列为n+1时第i-1个格子的值，xn+1(i+1)表示在当前时间序列为n+1时第i+1个格子的值。

14、进一步地，所述检测明文图像p，识别并获得机场坐标(x1，y1，w，h)，随机选择一个坐标点(x2，y2)并通过互补性嵌入算法以获得视觉混淆图像p_com，具体包括：

15、识别图像的线段，通过面向视觉的显著性vos和面向知识的显著性kos估计机场位置，通过soacm定位机场轮廓；

16、在定位机场位置信息后，通过比较机场和子块的2-范数找到互补区域，将最优区域移植到机场区域进行视觉模糊，将机场图像嵌入图像中的随机位置。

17、进一步地，所述对于明文图像p，由sha-384及原图生成秘钥k，并根据k计算模型参数及初始值具体包括：

18、输入大小为r×c的明文图像p，由sha-384及原图生成秘钥k；

19、根据生成的秘钥k计算以下模型参数及初始值：

20、

21、上式中，avg_p表示图像p的平均值，sum(p)表示图像p像素值的总和，r表示行数，c表示列数；

22、b＝dec2bin(avg_p)

23、上式中，dec2bin(avg_p)表示将avg_p转为二进制b；

24、

25、上式中，ki表示秘钥k的第i个比特位，b1-b8表示的b比特位，表示异或操作，k1-k8表示秘钥k的第1-8个比特位，x1表示机场横坐标，x2表示随机嵌入位置横坐标；

26、

27、上式中，k21-k28表示秘钥k的第21-28个比特位，y1表示机场纵坐标，y2表示随机嵌入位置纵坐标；

28、

29、上式中，k41-k48表示秘钥k的第41-48个比特位，w表示机场的宽度；

30、

31、

32、上式中，k141-k148表示秘钥k的第141-148个比特位，h表示机场的高度；

33、令m＝1，执行下述公式xm(0)，令m＝m+1，再执行下述公式xm(0)，公式xm(0)被执行8次，公式xm(0)如下：

34、

35、上式中，表示系统的参数，xm-1表示第m-1次迭代值；

36、

37、上式中，表示初始分形乱序矩阵a的(1,1)位置的值；

38、

39、上式中，表示初始分形乱序矩阵a的(1,2)位置的值；

40、

41、上式中，表示初始分形乱序矩阵a的(2,1)位置的值；

42、

43、上式中，表示初始分形乱序矩阵a的(2,2)位置的值；

44、

45、进一步地，所述对建立的改进的正弦交叉耦合映射格模型进行迭代，获得矩阵b,将矩阵b转换为一位数组并取最后r×c个数据得到b，具体包括：

46、设置lattice＝8，迭代isccml(w×h)+(r×c)/8次以获得矩阵b；

47、将b转换为一维数组，并选择最后的r×c数据作为b。

48、进一步地，所述分别对彩色图像中的3个通道r、g和b进行同步动态置乱扩散操作，得到子加密图像r_c，g_c和b_c，具体包括：

49、对彩色图像中的通道r进行同步动态置乱扩散操作，得到子加密图像r_c，如下：

50、

51、对彩色图像中的通道g进行同步动态置乱扩散操作，得到子加密图像g_c，如下：

52、

53、对彩色图像中的通道b进行同步动态置乱扩散操作，得到子加密图像b_c，如下：

54、

55、较现有技术相比，本发明具有以下优点：

56、1、本发明提供的基于改进的交叉耦合映射格的互补性嵌入图像加密方法，通过建立改进的交叉耦合映射格，更换了动力系统，扩大了参数范围，改变耦合模式和模型结构以削弱相空间中相邻晶格的关联，减少了混沌窗口周期，更符合密码特性。

57、2、本发明提供的基于改进的交叉耦合映射格的互补性嵌入图像加密方法，通过对图像进行检测，识别出图像的重要信息，提供对重要信息的独特保护。

58、3、本发明提供的基于改进的交叉耦合映射格的互补性嵌入图像加密方法，利用遥感图像的特征，寻找与机场信息最佳相似区域，将该区域移植到机场位置并机场信息嵌入到随机位置，从而生成具有视觉混乱的互补嵌入图像，有效地保护了重要信息的安全。

59、4、本发明提供的基于改进的交叉耦合映射格的互补性嵌入图像加密方法，其建立的分形乱序矩阵，由于其内在乱序性，有效提高了像素位置的置乱度。

60、5、本发明提供的基于改进的交叉耦合映射格的互补性嵌入图像加密方法，在保证隐私信息安全的前提下，所设计的模型具有更好的动力学行为，可以在图像加密等工程领域得到应用具有重要的价值，而且该模型有利于混沌现象的演示和教学。

61、综上，本发明针对机场的重要信息提出了一种互补的嵌入式图像加密策略。在遥感图像中，利用机场附近的地形相似性特征来生成一个视觉上令人困惑的图像，以隐藏机场信息，同时将机场信息嵌入图像中。对于加密过程，在扩散阶段使用fdm进行同步加扰。在所提出的策略中，机场信息被嵌入到随机位置，并生成具有视觉混乱的互补嵌入图像。该图像隐藏了机场的位置和形状，然后对其进行加密，以确保重要信息的安全，同时避免双重加密。

62、基于上述理由本发明可在图像加密等领域广泛推广。