為了提高數(shù)字圖像的加密效果，經(jīng)過(guò)對(duì)已有的數(shù)字圖像加密算法進(jìn)行分析，有專家提出了一種基于數(shù)字圖像比特面的混沌加密方法。這種加密方法對(duì)常用的基于混沌的數(shù)字圖像加密技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，將數(shù)字圖像的像素值進(jìn)行比特面分割，然后利用Logistic混沌映射對(duì)數(shù)字圖像像素值比特面進(jìn)行置換加密，從而達(dá)到加密的效果。

基于數(shù)字圖像比特面的混沌加密　

一、混沌圖像加密技術(shù)　

混沌數(shù)字圖像加密技術(shù)是近年來(lái)應(yīng)用非常普遍的一種數(shù)字圖像加密技術(shù)，混沌現(xiàn)象是指在非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中出現(xiàn)的確定性和類似隨機(jī)的過(guò)程，混沌動(dòng)力學(xué)在此基礎(chǔ)上得到迅猛發(fā)展，這使得混沌可以用來(lái)作為一種新的加密體系，可以給文本文件、聲音文件以及數(shù)據(jù)文件加密。

1、混沌加密的原理

將原始信息與混沌發(fā)生器產(chǎn)生的混沌序列進(jìn)行特定的運(yùn)算，使原始信息轉(zhuǎn)換為具有類似隨機(jī)噪聲的性態(tài)，從而對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行加密。

解密就是將加密信息與混沌發(fā)生器產(chǎn)生的混沌序列進(jìn)行反運(yùn)算，去除混沌信號(hào)，使原始信息恢復(fù)。

混沌加密與解密原理如圖所示：

2混沌加密技術(shù)的特點(diǎn)

混沌加密技術(shù)的效率高、操作速度快、實(shí)施的簡(jiǎn)易、計(jì)算的費(fèi)用低廉，使得基于混沌的圖像加密可行性好，在軍事、工業(yè)以及商業(yè)應(yīng)用的圖像和視頻通信方面具有廣闊前景。然而傳統(tǒng)的混沌加密技術(shù)只是利用混沌序列與原始信息進(jìn)行某種運(yùn)算，使得原始信息變?yōu)榫哂蓄愃齐S機(jī)噪聲的性態(tài)，從而達(dá)到加密目的。

二、數(shù)字圖像的比特面

數(shù)字圖像可以用一個(gè)二維圖像數(shù)組來(lái)表示，其中數(shù)組元素的值表示圖像像素點(diǎn)的像素值，其范圍為［0，255］，可用一個(gè)字節(jié)即用8位比特序列來(lái)表示，若將各像素值的第i個(gè)位取出來(lái)，即得到一幅稱為位平面的二值圖像，據(jù)此思想提出數(shù)字圖像比特面的定義。

數(shù)字圖像中由所有像素點(diǎn)的同一個(gè)二進(jìn)制比特位構(gòu)成的圖像平面就稱為一個(gè)比特面，亦稱做位平面。一幅具有m位比特灰度級(jí)的灰度圖像中，像素點(diǎn)的像素值可以用式（1）所示的式子表示：

Gray=a_m2^m-i+ a_m-12^m-2+…+ a₂2¹+ a₁2^{0 ? ? ? ? ??}?（1）

其中，2^m-i（i＝1，2，…，m）表示第i比特的權(quán)重，a_i＝0或1，則由圖像中所有灰度值的a系數(shù)就得到一個(gè)比特面。從下到上依次表示各像素值的高位到低位，則各像素點(diǎn)的像素值的第i個(gè)比特位可分別構(gòu)建一個(gè)二值平面，即一個(gè)比特面。其中，最高位的比特面稱為第8比特面，最低位的比特面稱為第1比特面，共8個(gè)比特面。

具有n比特灰度級(jí)的數(shù)字圖像具有n個(gè)比特面，每個(gè)比特面全是由二進(jìn)制比特序列構(gòu)成，其實(shí)每個(gè)比特面可以構(gòu)成一幅二值圖像。將m個(gè)比特面組合，即可恢復(fù)原數(shù)字圖像。對(duì)于24位RGB真彩色圖像，由于每個(gè)像素點(diǎn)由R、G、B三基色構(gòu)成，且各基色有256個(gè)灰度等級(jí)，則其比特面將是由所有像素點(diǎn)的三基色中各自的a_i系數(shù)構(gòu)成，顯然，比特位中高位的權(quán)值大，對(duì)像素值影響很明顯，因此數(shù)字圖像的信息量大部分集中在幾個(gè)高位比特面內(nèi)，第8比特面所含的數(shù)字圖像信息8量最大，被稱為最高有效平面（MSB），第7比特面次之，第1比特面的信息量最小，被稱為最低有效平面（LSB）。

三、基于數(shù)字圖像比特面的混沌加密

基于數(shù)字圖像比特面的混沌加密方法的加密思想是：將原圖像像素值進(jìn)行比特面分解（一般分8個(gè)比特面，因?yàn)橄袼刂到橛?—255之間，只要8個(gè)比特位），然后利用混沌圖像加密算法分別對(duì)所提取出的不同比特面加密，再將經(jīng)過(guò)混沌加密后的各比特面進(jìn)行重組得到加密圖像，其實(shí)質(zhì)是對(duì)進(jìn)行像素的像素值進(jìn)行加密，改變密圖的R、G、B值，即改變像素的顏色，具體加密和解密過(guò)程如圖所示。

數(shù)字圖像均有R、G、B三個(gè)顏色通道，而每個(gè)分量能反應(yīng)原圖像的部分信息，因此必須對(duì)R、G、B三個(gè)分量都進(jìn)行比特面加密才能達(dá)到理想的加密效果。而對(duì)于數(shù)字圖像的每個(gè)顏色分量，不同的比特面所含的信息量不一樣，高位比特面所含的信息量大，低位比特面含的信息量少。數(shù)字圖像與高位4個(gè)比特面的圖像4具有很強(qiáng)的相關(guān)性，相對(duì)來(lái)說(shuō)，與低位4個(gè)比特面所含信息的相關(guān)性較弱。

為保證加密算法的安全性，必須對(duì)至少4個(gè)重要比特面進(jìn)行加密。因此只需對(duì)數(shù)字圖像每個(gè)顏色分量的幾個(gè)高位比特面進(jìn)行混沌加密即可達(dá)到很好的效果。

基于數(shù)字圖像比特面的混沌加密方法優(yōu)于利用Logistic混沌映射對(duì)數(shù)字圖像像素值進(jìn)行置換加密的方法，具有非常不錯(cuò)的應(yīng)用前景。

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