一種基于二維元胞自動(dòng)機(jī)的圖像置亂方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及信息安全領(lǐng)域中的圖像保密技術(shù)，特別是一種基于二維元胞自動(dòng)機(jī)的 圖像置亂方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 數(shù)字圖像置亂是指將圖像攪亂，消除位置或灰度相關(guān)性，從而使人類或計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)無(wú)法理解原始圖像所表達(dá)的真實(shí)含義。數(shù)字圖像的置亂技術(shù)，可以看做數(shù)字圖像加密的 一種途徑，也可以用作數(shù)字圖像隱藏、數(shù)字水印圖像植入和數(shù)字圖像秘密共享的預(yù)處理和 后處理過(guò)程。
[0003] 常見的圖像置亂方法有Arnold變換、Fibonacci-Q變換、幻方變換、騎士巡游變 換、Hilbert曲線、混沌排序方法等。其中，以Arnold變換為代表的基于矩陣變換的圖像置 亂算法應(yīng)用最為廣泛，它們具有變換陣構(gòu)造簡(jiǎn)單、置亂實(shí)現(xiàn)容易等特點(diǎn)。但缺點(diǎn)是Arnold 變換置亂后的圖像存在明顯的紋理效果，并且Arnold變換本身是一種擬仿射變換，具有線 性密碼學(xué)特性，導(dǎo)致其安全性較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種基于二維元胞自 動(dòng)機(jī)的圖像置亂方法，與基于矩陣變換的圖像置亂方法相比，由于二維元胞自動(dòng)機(jī)的演化 行為具有非線性的特點(diǎn)，使得本發(fā)明提出的方法不僅置亂效果好，而且安全性更高。
[0005] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案：
[0006] 根據(jù)本發(fā)明提出的一種基于二維元胞自動(dòng)機(jī)的圖像置亂方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟1，提取明文圖像的像素矩陣IMXN，M是圖像的寬度，N是圖像的高度，均以像 素計(jì)；
[0008] 步驟2,根據(jù)步驟1中明文圖像的高度和寬度，令二維元胞自動(dòng)機(jī)水平方向元胞的 數(shù)量為M，二維元胞自動(dòng)機(jī)垂直方向元胞的數(shù)量為N，設(shè)定一個(gè)大小為MXN個(gè)元胞的二維元 胞自動(dòng)機(jī)；
[0009] 步驟3,設(shè)定二維元胞自動(dòng)機(jī)的迭代規(guī)則；
[0010] 步驟4,二維元胞自動(dòng)機(jī)的每個(gè)元胞在t = 0時(shí)刻的狀態(tài)由隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生，t =〇時(shí)刻所有成活元胞的集合記為Q1，然后二維元胞自動(dòng)機(jī)依據(jù)步驟3設(shè)定的迭代規(guī)則進(jìn) 行η步迭代；
[0011] 步驟5，令集合Z為二維元胞自動(dòng)機(jī)內(nèi)所有元胞都是成活狀態(tài)，(^為二維元胞自動(dòng) 機(jī)迭代到第i步時(shí)所有成活元胞的集合，1彡i彡n，S i= U A為二維元胞自動(dòng)機(jī)迭 代到第i步時(shí)所有成活過(guò)的元胞的集合，U為集合的并運(yùn)算，則圖像置亂步驟如下：
[0012] 步驟5a :建立二維元胞自動(dòng)機(jī)中元胞與明文圖像中像素點(diǎn)的--映射；
[0013] 步驟5b :將二維元胞自動(dòng)機(jī)t = 0時(shí)刻中狀態(tài)為1的元胞對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)按掃描線 順序排列在置亂圖像坐標(biāo)空間內(nèi)；
[0014] 步驟5c :二維元胞自動(dòng)機(jī)迭代到第i步時(shí)，將Si-Sp1集合中的元胞對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn) 按掃描線順序排列在置亂圖像坐標(biāo)空間內(nèi)，-是兩個(gè)集合的差運(yùn)算；
[0015] 步驟5d :二維元胞自動(dòng)機(jī)迭代到第η步時(shí)終止，則將2_5"集合中的元胞對(duì)應(yīng)的像 素點(diǎn)按照掃描線順序排列在置亂圖像坐標(biāo)空間內(nèi)，至此置亂結(jié)束，置亂后的圖像記為P 1;
[0016] 步驟6,將置亂后的圖像？1作為明文圖像并繼續(xù)重復(fù)執(zhí)行步驟5-次，得到最終置 亂后的圖像P 2，至此完成全部?jī)奢唸D像置亂。
[0017] 作為本發(fā)明所述的一種基于二維元胞自動(dòng)機(jī)的圖像置亂方法進(jìn)一步優(yōu)化方案，所 述步驟2中該二維元胞自動(dòng)機(jī)每個(gè)元胞具有活和死兩個(gè)狀態(tài)，分別用1和0表示，每個(gè)元胞 與其上下左右以及對(duì)角線上的元胞組成一個(gè)3 X 3的Moore鄰域；對(duì)二維元胞自動(dòng)機(jī)邊界上 的元胞進(jìn)行周期型邊界處理：第〇行元胞的狀態(tài)值等于第N行元胞的狀態(tài)值，第Ν+1行元胞 的狀態(tài)值等于第1行元胞的狀態(tài)值，第〇列元胞的狀態(tài)值等于第M列元胞的狀態(tài)值，第Μ+1 列元胞的狀態(tài)值等于第1列元胞的狀態(tài)值。
[0018] 作為本發(fā)明所述的一種基于二維元胞自動(dòng)機(jī)的圖像置亂方法進(jìn)一步優(yōu)化方案，所 述步驟3中的迭代規(guī)則為B3/S1234。
[0019] 作為本發(fā)明所述的一種基于二維元胞自動(dòng)機(jī)的圖像置亂方法進(jìn)一步優(yōu)化方案，所 述迭代規(guī)則具體如下：若一個(gè)狀態(tài)為0的元胞，當(dāng)它的Moore鄰域中有3個(gè)元胞的狀態(tài)為1， 那么在下一時(shí)刻，該元胞的狀態(tài)為1 ;若一個(gè)狀態(tài)為1的元胞，當(dāng)它的Moore鄰域中有1個(gè) 或2個(gè)或3個(gè)或4個(gè)元胞的狀態(tài)為1，那么在下一時(shí)刻，該元胞的狀態(tài)仍為1 ;否則，不論該 元胞的當(dāng)前狀態(tài)為〇或1，下一時(shí)刻均為0。
[0020] 作為本發(fā)明所述的一種基于二維元胞自動(dòng)機(jī)的圖像置亂方法進(jìn)一步優(yōu)化方案，所 述步驟5a中建立二維元胞自動(dòng)機(jī)中元胞與明文圖像中像素點(diǎn)的--映射，具體如下：坐標(biāo) 位置為（1，1)的元胞對(duì)應(yīng)坐標(biāo)位置為（1，1)的像素點(diǎn)，坐標(biāo)位置為（1，2)的元胞對(duì)應(yīng)坐標(biāo) 位置為（1，2)的像素點(diǎn)，…，坐標(biāo)位置為（M，N)的元胞對(duì)應(yīng)坐標(biāo)位置為（M，N)的像素點(diǎn)。
[0021] 本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：
[0022] 本發(fā)明與基于矩陣變換的圖像置亂方法相比，采用二維元胞自動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)圖像置 亂，不僅能夠避免初等矩陣變換的擬仿射特性，而且圖像置亂效果不具有的明顯紋理特性， 本發(fā)明具有好的置亂效果和安全性。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1是本發(fā)明的流程框圖。
[0024] 圖2是實(shí)施例1中的明文圖像。
[0025] 圖3是實(shí)施例1中的二維元胞自動(dòng)機(jī)的初始狀態(tài)。
[0026] 圖4a是實(shí)施例1中二維元胞自動(dòng)機(jī)迭代1步結(jié)果。
[0027] 圖4b是實(shí)施例1中二維元胞自動(dòng)機(jī)迭代2步結(jié)果。
[0028] 圖4c是實(shí)施例1中二維元胞自動(dòng)機(jī)迭代3步結(jié)果。
[0029] 圖4d是實(shí)施例1中二維元胞自動(dòng)機(jī)迭代4步結(jié)果。
[0030] 圖4e是實(shí)施例1中二維元胞自動(dòng)機(jī)迭代5步結(jié)果。
[0031] 圖5是實(shí)施例1中圖像置亂算法中步驟5b的置亂結(jié)果。
[0032] 圖6是實(shí)施例1中最終的置亂圖像。
[0033] 圖7是實(shí)施例2中的明文圖像。
[0034] 圖8是實(shí)施例2中的二維元胞自動(dòng)機(jī)的初始狀態(tài)。
[0035] 圖9是實(shí)施例2中最終的置亂圖像。
[0036] 圖IOa是添加椒鹽噪聲后的密文圖像。
[0037] 圖IOb是圖IOa的恢復(fù)結(jié)果。
[0038] 圖Ila是添加高斯噪聲后的密文圖像。
[0039] 圖Ilb是圖IOa的恢復(fù)結(jié)果。
[0040] 圖12a是剪切密文圖像部分?jǐn)?shù)據(jù)后的圖像。
[0041] 圖12b是圖Ila的恢復(fù)結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0042] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明：
[0043] 下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出，其中自始 至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過(guò) 參考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。 [0044] 本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(yǔ)（包括 技術(shù)術(shù)語(yǔ)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)）具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。 還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語(yǔ)應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文 中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會(huì)用理想化或過(guò)于正式的含義來(lái)解釋。
[0045] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明：
[0046] 本發(fā)明設(shè)計(jì)一種基于二維元胞自動(dòng)機(jī)的圖像置亂方法，流程框圖如圖1所示，本 發(fā)明中原始圖像通過(guò)兩輪圖像置亂就能達(dá)到非常滿意的置亂效果，實(shí)現(xiàn)了圖像的高效置 亂。此外，本方法抗攻擊能力強(qiáng)，能抵抗一定的剪切和噪聲的攻擊。
[0047] 本發(fā)明的實(shí)施例采用Mathematica 8軟件進(jìn)行仿真，下面給出本發(fā)明的兩個(gè)實(shí)施 例：
[0048] 實(shí)施例1 :
[0049] 明文圖像選用大小為15X 10的彩色圖像，彩色圖像的每一個(gè)像素由24比特組成， 如圖2所示。
[0050] 實(shí)施例1的圖像置亂的具體實(shí)施步驟如下：
[0051] 步驟1 :提取明文圖像的像素矩陣I15xitl，圖像的寬度為15個(gè)像素，圖像的高度為 10個(gè)像素；
[0052] 步驟2,根據(jù)步驟1中明文圖像的高度和寬度，定義一個(gè)大小為15X 10個(gè)元胞的 二維元胞自動(dòng)機(jī)，每個(gè)元胞具有活和死兩個(gè)狀態(tài)，分別用1和〇表示，每個(gè)元胞與其上下左 右以及對(duì)角線上的元胞組成一個(gè)3X3的Moore鄰域，由于二維元胞自動(dòng)機(jī)邊界上的元胞沒 有完整的Moore鄰域，因此需要進(jìn)行合理的邊界處理，在這里我們做如下周期型邊界處理： 第〇行元胞的狀態(tài)值等于第10行元胞的狀態(tài)值，第11行元胞的狀態(tài)值等于第1行元胞的 狀態(tài)值，第0列元胞的狀態(tài)值等于第15列元胞的狀態(tài)值，第16列元胞的狀態(tài)值等于第1列 元胞的狀態(tài)值；
[0053] 步驟3,設(shè)定二維元胞自動(dòng)機(jī)的迭代規(guī)則為B3/S1234,規(guī)則描述如下：若一個(gè)狀態(tài) 為O的元胞，當(dāng)它的Moore鄰域中有3個(gè)元胞的狀態(tài)為1，那么在下一時(shí)刻，該元胞的狀態(tài)為 1 ;若一個(gè)狀態(tài)為1的元胞，當(dāng)它的Moore鄰域中有1個(gè)或2個(gè)或3個(gè)或4個(gè)元胞的狀態(tài)為 1，那么在下一時(shí)刻，該元胞的狀態(tài)仍為1 ;否則，不論該元胞的當(dāng)前狀態(tài)為0或1，下一時(shí)刻 均為〇 ;
[0054] 步驟4,二維元胞自動(dòng)機(jī)的每個(gè)元胞在t = 0時(shí)刻的狀態(tài)由隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生，如 圖3所示，圖3中黑色方塊表示活的元胞（狀態(tài)值為1的元胞），白色方塊表示死的元胞（狀 態(tài)值為〇的元胞），t = 0時(shí)刻所有成活元胞的集合記為Ctl，然后二維元胞自動(dòng)機(jī)依據(jù)B3/ S1234規(guī)則進(jìn)行5步迭代，每步迭代結(jié)果如