安企神电脑监控软件 在线试用
扫码咨询客服
安企神电脑监控软件、局域网监控软件
首页
功能介绍
产品简介
下载中心
帮助中心
客户列表
关于安企神

图像文件加密新算法之广义2D-Arnold映射

更新时间:2022-10-28 15:46:25


本文简介:针时图像加密算法容易被破解、效率低等问题,提出了一种基于广义2D-Arnold映射和超混沌的图像文件加密算法。这种难过图像文件加密算法可以确保在安全可靠的前提下,明显提高效率。一、图像的置乱过程1、广义2D-Arnold映射广义2D-Arnold映射是一个2维保面积的一一映射,单位矩阵的任一点唯一地变换到单位矩阵内的另一点,可逆映射,没有吸引子,非常适合图像置乱。实际上,Amold映射包括拉伸和折

图像文件加密新算法之广义2D-Arnold映射

针时图像加密算法容易被破解、效率低等问题,提出了一种基于广义2D-Arnold映射和超混沌的图像文件加密算法。这种难过图像文件加密算法可以确保在安全可靠的前提下,明显提高效率。

一、图像的置乱过程

1、广义2D-Arnold映射

广义2D-Arnold映射是一个2维保面积的一一映射,单位矩阵的任一点唯一地变换到单位矩阵内的另一点,可逆映射,没有吸引子,非常适合图像置乱。实际上,Amold映射包括拉伸和折叠两个过程,乘以矩阵C,x,y变大,相当于拉伸,取模,使x,y又回到单位矩阵内,相当于折叠。如此循环往复,最终达到混叠的目的。映射方程为:

图像文件加密新算法之广义2D-Arnold映射

式中a,b,N为正整数,参数a,b以N为周期,要求a,b∈N。若初始值x0,yo为正整数,则xn,y为(x=O,1,2,…)也均为正整数。可通过将图像的像素坐标或灰度值作为初始值进行迭代来实现图像的置乱。对于图像内原来相邻的两点如(xn,yn)和(xn+1,yn+1),其像素坐标经广义猫映射迭代几次后不再相邻;具有均匀概率分布的猫映射还可以保证经过一定次数的灰度值迭代后,原图像的灰度直方图由具有特定的统计规律改变为呈均匀分布,从而达到图像保密的目的。

2、原始图像的置乱过程

假设原始明文图像大小为MxN。置乱过程的步骤如下:

(1)读入原始明文图像,如果M>N,将原始明文图像的第一列数据复制到N+1列,第二列数据复制到第N+2列,依此类推,直到满足M=N为止,得到正方形图像,反之一样。

(2)使用2D-Amold映射置乱像素点位置,通过式(2)对调整后的正方形图像进行置换。2D-Arnold映射参数a和b和置乱轮数优为密钥,2D-Arnold映射矩阵的各个数据分别为A11=1,A12=a,A12=b,A22=ab+1,从而保证2D-Arnold映射矩阵的行列式|C|=1。

图像文件加密新算法之广义2D-Arnold映射

二、图像的扩散过程

1、超混沌系统模型

超混沌系统的动力学方程如下:

图像文件加密新算法之广义2D-Arnold映射

式中,a,b,c,d,e为系统参数,当a=10,b=45,c=2.5,d=4,e=5时,系统存在超混沌吸引子,表现为超混沌运动。在Matlab7.O的环境下对系统进行仿真,得到超混沌系统仿真结果,如图1所示。系统具有更复杂的相空间,表现出更加复杂的动力学性质,产生的混沌序列具有更好地随机性,用它设计密钥更加安全。

图像文件加密新算法之广义2D-Arnold映射

2、超混沌密钥序列的生成

使用超混沌方程式(2)生成超混沌序列的步骤如下:

(1)超混沌系统取四个初值x,y,z,w,预迭代N次,得到xo,Yo,z0,wo及迭代次数No,将其作为初始密钥。

(2)对超混沌系统以初始值xo,Yo,z0,wo迭代L/4次,得到四组超混沌序列{Xk,yk,Zk,wk},(l≤k<L,L =MAX(M,N)xMAX(M,N))。

(3)初始化—个空序列Aa设M=mod(X1,Yi,ZI,wl,2),若m=0,将(X1,Yi,Z1,WI)加入序列A,若m=1,将(yl,Xi,Z1,Wl)加入序列A,若m=2,将(Z1,Xl,Yi,W1)加入序列A。

(4)初始化—个空序列Bo设n=mod(xk+yk+Zk+wk,2),若n=0,将(W1,XI,Yi,Zl)加入序列B,若m=1,将(Z1,xi,yl,w1)加入序列B,若m=2,将(z1,wl,Yi,XI)加入序列B。

重复执行步骤(3)和(4),生成两个长度为L的原始混沌序列A和B。

按照变换式:

图像文件加密新算法之广义2D-Arnold映射

对混沌序列进行改造,得到混沌密钥序列k1,k2。k1i(i)∈[O,255],k2i∈[O,255]。

式中,floor(x)表示取不大于x的最大整数;mod(x,y)表示取x除以y所得的余数。

3、图像的扩散操作

图象扩散操作由以上两个混沌系统产生的密钥对图象进行两论扩散操作。在扩散过程中使用混沌系统产生的两种密钥交替加密,并引入密钥扩散机制,使明文、密文、密钥之间的关系更加复杂。把得到的超混沌序列按照置换的图像矩阵的大小变换成矩阵形式,称之为灰度矩阵H1和H20经过这样的变换,要扩散的图像矩阵就和灰度矩阵具有同样地大小,便于进一步处理。

第一轮扩散加密过程如下:

图像文件加密新算法之广义2D-Arnold映射

第二轮扩散加密过程如下:

图像文件加密新算法之广义2D-Arnold映射

其中,D表示置乱后图像矩阵,E表示加密后图像矩阵,Eo.o,EM.N为加密第一个明文像素时的初始密钥,E0.∈[O,255],EM.N∈[0,255],H1和H2为混沌灰度矩阵。

在以上的算法中,Eo.o为a和6进行二进制“位异或”运算;mod(a,b)为“盘除以b”得到的余数。

由上述的加密方法看到,图像的扩散过程由两个混沌灰度矩阵共同作用,扩散过程不仅与明文相关,也与密文相关,同时引进了非线性的“取模”操作,因此,攻击者想要破译出最终的密钥的可能性是非常小的。

三、图像的解密过程

解密过程是加密的逆过程,首先,利用初始密钥生成的超混沌密钥岛和k2,把得到的超混沌序列按照置换的图像矩阵的大小变换成灰度矩阵H1和H2,实现置乱图像的复原。

反置乱过程如下:

反置乱过程是置乱过程的逆运算,利用相同密钥的2D-Arnold映射的逆矩阵进行像素点位置的复原,逆矩阵如式(1O)所示。

图像文件加密新算法之广义2D-Arnold映射

四、实验仿真

本文使用256位的经典测试图像lena.bmp在Matlab7.O下进行仿真,设定式(1)的系统参数a=M-2,b=M-4,m=16,保证ab都是小于M的正整数,而且密钥a,b与图像的大小相关。式(2)的系统参数a=10,b=45,c=2.5,d=4,e=5时,系统是超混沌的,超混沌系统初值取为(0.22,0.57,1.O,0.30),微分方程的求解的时间步长为0.001,预迭代次数No =1000,初始密钥Eo.o=102,EM.N=28.Lena原图像如图2(a)所示,加密后的图像如图2(b)所示。比较原始图像和加密图像后发现,二者存在巨大差别,加密图像已经完全隐藏了原始图像。原始图像的直方图和加密后的图像的直方图如图3所示,原始lena图像的像素值分布非常不均匀,加密后的直方图表明像素值在[0,255]内呈均匀分布。因此,该算法能够有效地防止统计分析的攻击。

图像文件加密新算法之广义2D-Arnold映射

五、安全性分析

1、像素的相关性分析

像素的相关性指相邻像素的相似的程度,相关性越大,灰度值的差别越小,图像信息的冗余度也越大。考察相关性,主要方法是考察水平、垂直、对角线相邻像素的相关性。图4显示了明文与密文水平方向的相关性,可见原始图像的相关性很大,本文算法加密后的密文图像的相邻像素的相关性呈现随机的对应关系。

图像文件加密新算法之广义2D-Arnold映射

相关系数又称皮(尔生)氏积矩相关系数,能够说明两个现象之间相关关系密切程度的统计分析指标。从原始图像和加密后的图像的水平、垂直及对角方向取lOOO对像素对,根据式(11)进行相关系数计算。

图像文件加密新算法之广义2D-Arnold映射

式中,xi,yi分别表示图像中第i组相邻像素的像素值,N为像素对的组数,r为相邻两个像素的相关系数d如下表1所示,原始图像lena的像素存在高度的相关性,r接近于1,对应的密文图像的相关系数r接近于0,基本不存在相关性。表明本文的加密算法能够有效地掩盖原始图像的统计特征。

图像文件加密新算法之广义2D-Arnold映射

2、时间效率分析

本算法的仿真实验在Matlab 7.1的实验平台上进行,实验所使用的硬件环境为Intel酷睿i3 3220CPU,3.3GHz主频,2GB内存,120G硬盘口使用本文算法加密一幅256x256的灰度图像的平均时间为47ms,加密算法的速度比较高。

3、密钥的敏感性分析

本算法选取256x256的8位经典测试图像lena.bmp进行测试,2D-Arnold映射的参数a=M-2和b=M—4,置换轮数m=16,超混沌系统初值(x,y,z,w)=(0.22,0.57,1.O,0.30)作为密钥进行加密,然后对超混沌的初值进行微小的扰动(x,y,z,w)=(0.22+10也,0.57,1.0,0.30)生成的密钥进行解密。原始图像和密钥微小扰动之后的解密的图像如图5所示,解密后图像与原始图像存在巨大差别。均方误差MSE可以度量原始图像和解密图像之间的差别,其表达式为:

图像文件加密新算法之广义2D-Arnold映射

这里,P={P(i,j},E=e(i,j)),i=1,2,..,M,j=l,2,…,N 。 P表示原始图像,E表示解密图像。

表2给出了本文算法的正确密钥及错误密钥所得的解密图像分别与原始图像之间的均方误差值,使用正确密钥解密,解密图像与原始图像的均方误差为O.OOOO,在其他解密钥保持不变,超混沌方程的4个初值x,y,z,w分别与正确值相差10-12,结果显示,正确密钥可以完全解密,而具有微小扰动的密钥的解密图像与原始图像差别巨大,表明本算法对解密密钥非常敏感。

图像文件加密新算法之广义2D-Arnold映射

小知识之映射

映射,或者射影,在数学及相关的领域经常等同于函数。 基于此,部分映射就相当于部分函数,而完全映射相当于完全函数。

立即下载试用

企业电子文件图纸如何防止员工泄露?

  安企神图纸文件数据防泄露方案支持各种图纸和各种办公软件,满足客户各种工作场景。在确保数据安全的情况下,让员工工作更高效更便捷!

 

   透明落地加密 - 加密后只能在公司内部使用

  

  • 透明加密

          可以针对指定应用软件进行修改保存后文件自动加密,可以对加密的文件进行指定的应用软件打开。

  • 半透明加密

          对于加密后的文件打开修改后仍是加密状态,对于未加密后的文件打开修改还是未加密状态。

  • 落地加密

          用高效加密内核对文件进行落地即时加密,指定类型的文件存到电脑硬盘上即立即进行落地加密,全程无任何感应。

  • 全盘加解密

          管理员可在服务器端一键对客户端电脑下发全盘或指定盘符或指定文件夹强制加解密的策略,客户端会自动执行扫描硬盘文件加密或解密。

 

   加密图纸正常外发 - 支持多种审批解密方式

  

  • 在线审批解密

         当有员工需要外发文件时,只要将需要解密的文件点右键申请解密,填写相关理由,则自动会向设置好的审批管理员提出申请并带有此文件附件以备查看;审核人员如果同意则会向申请端返回一个未加密的文件;反之,则拒绝。

  • 邮件解密

         通过匹配邮件地址自动进行邮件外发解密。通过验证发件人或验证收件人的电子邮件地址方式,系统匹配到会自动解密发送;反之,其打开的文件都为乱码。或通过对发送的带加密文件的邮件进行在线审批,当管理员对所发送的邮件审批通过后,此邮件可解密发送出去。

  • 手机端审批

         若审批管理员不在电脑旁边或出差的情况,审批端有 iOS 和安卓版的,可以让管理员通过手机进行解密!


 

   阅后即焚 - 防止二次泄密

  

  • 打开次数、存活周期

          可以对外发文件进行打开次数及存活周期的控制,超过设置自动删除。

  • 外发后操作权限

          可以对外发的文件在指定的电脑上才可打开查看,外发的文件可以设置禁止打开、复制、打印、截屏、另存为等,只有只读功能。

 

   离线办公出差或加班

  

  • 离线不影响加密使用

          离线的加密笔记本不影响正常加密使用,只要加密文件不离开设备,保证在离线设备本地加密文件可以正常打开修改编辑。

  • 防离线设备丢失-定时加密失效

          可以设置离线出差是否允许打开加密文件,同时可以设置出差使用计算机的时间,过期后无法使用计算机,如果想重新获得授权,可以通过互联网连接到公司服务器重新认证。


 

   文件权限划分 - 核心文件密级保护

  

  • 电脑权限设置

          可根据公司实际情况对加密电脑生成的文件进行权限设置,不同权限的图纸文件,不能互相打开。

  • 文件密级设置

          可以对文件划分为绝密级、机密级、秘密级、内部公开等多种密级管理方式,有效防止企业核心数据泄露。

  • 加密文件修改自动备份

          加密软件有自动备份功能,可以加密后的文件进行修改备份。

 

   多重日志审计 - 做到事后可查

 

  • 操作日志审计

          能够记录所有文件的解密操作,将记录保存到服务器。

  • 解密审批信息

          记录所有客户端解密审批的文件,并且解密的文件会被自动备份到服务器设置好的备份目录下。

  • 增强的日志管理

          详细的日志记录,方便查找,并可以导出为 Excel 表格。


本文为收集整理,文章部分观点不代表本站观点,如有侵权或其它问题请反馈客服。https://www.wgj7.com/cjwt/16474.html