本發明涉及圖像加密的，具體來說，是一種基于改進z曲線和混沌信號的多圖像加密方法。

背景技術：

1、在信息技術迅猛發展的背景下，信息安全問題變得日益緊迫，尤其是圖像作為重要的信息傳輸載體，其安全性備受關注。隨著計算機技術的迅速發展，各種破解技術不斷涌現，尋求更加安全有效的加密算法迫在眉睫。

2、目前已有的圖像加密算法多為單圖像加密，但是隨著信息技術的飛速發展，單圖像加密算法已不能適用于大數據時代對海量信息快速高效處理的要求。多圖像加密不僅在保護多個圖像數據時提供了更高的安全性，而且可以并行處理多個圖像，顯著提升了數據加密的效率，成為應對大數據時代挑戰的理想選擇。混沌理論憑借其高度的初值敏感性與隨機性，在圖像加密領域獲得了廣泛應用，相比較于常規混沌系統，多渦卷混沌系統具有更復雜的混沌行為和非線性特性，用于圖像加密既可以增加信號的隨機性，還可以增強對各種干擾的抵抗能力，而空間填充曲線置亂應用于圖像加密領域能有效增加圖像加密的安全性，然而傳統的空間填充曲線路線較為單一，隨機性較弱，易被破解。

3、鑒于此，本發明提供了一種基于改進的z曲線、網格多渦卷混沌系統和dna動態編碼的多圖像加密算法。

技術實現思路

1、本發明提供一種基于改進z曲線和混沌信號的多圖像加密方法，仿真結果和安全性分析表明該多圖像加密算法可以抵抗差分攻擊、裁剪攻擊、噪聲攻擊等，具備良好的安全性能。

2、本發明可以通過以下技術方案實現：

3、一種基于改進z曲線和混沌信號的多圖像加密方法，包括以下步驟：

4、步驟一、通過隨機選取輸入圖像的r、g、b顏色通道，將四張不同大小的輸入圖像融合成一張融合圖像o；

5、步驟二、利用sha256算法對融合圖像o進行處理獲得密鑰，并經過分組計算得到網格多渦卷混沌系統的初始值x0、y0、z0，同時對融合圖像o依次進行補零操作和分塊操作，然后將初始值x0、y0、z0代入網格多渦卷混沌系統獲得x、y、z三個混沌序列，并對混沌序列進行分部劃分；

6、步驟三、結合劃分后的混沌序列，再先后通過改進的z曲線和knuth-durstenfeldshuffle算法對每個子塊均進行置亂操作，并將置亂后的子塊存儲至cell數組；

7、步驟四、通過結合劃分后的混沌序列，將cell數組里的元素進行動態dna編碼、運算和解碼操作，獲得序列dnajiema；

8、步驟五、通過改進的中心擴散算法對序列dnajiema進行分組擴散，最終得到加密圖像。

9、進一步，在所述步驟一中，從每張輸入圖像的r、g、b三個通道中隨機選取一個通道，將所選通道的圖像像素逐個填充到m*m大小的矩陣中，構成融合圖像o的r通道，再分別從每張輸入圖像剩余的兩個通道中隨機選取一個通道，將所選通道的圖像像素逐個填充到m*m大小的矩陣中，構成融合圖像o的g通道，最后將每張輸入圖像剩余的一個通道中的圖像像素逐個填充到m*m大小的矩陣中，構成融合圖像o的b通道，從而構成m*m大小的融合圖像o。

10、進一步，在所述步驟二中，從融合圖像o中隨機選取一個通道，計算該通道的圖像像素平均值，將其作為sha256算法的輸入，得到256位哈希值k即密鑰k，將密鑰k分成32組并計算得到網格多渦卷混沌系統的初始值x0、y0、z0。

11、進一步，利用如下方程式，計算得到網格多渦卷混沌系統的初始值x0、y0、z0。

12、

13、x0＝(x0+y0)/2

14、y0＝(z0+w0)/2

15、z0＝(x0+y0+z0+w0)/2

16、進一步，先對所述融合圖像o先進行補零操作，得到m2*m2*3大小的矩陣，再進行分塊操作，每個子塊對應的矩陣大小為t*t，然后將所述初始值x0、y0、z0帶入網格多渦卷混沌系統，計算得到混沌序列x、y、z，

17、再將混沌序列x的第1至第3*(m2)2/t2位記為混沌序列x1，將混沌序列x的第1+3*(m2)2/t2至第1+3*(m2)2/t2+m2*m2*24位記為混沌序列x2，將混沌序列x的第1+3*(m2)2/t2+m2*m2*24至第1+3*(m2)2/t2+m2*m2*24+m2*m2*12位記為混沌序列x3，將混沌序列y的第1至第24*m2*m2位記為混沌序列y1，將混沌序列y的第1+24*m2*m2至第1+24*m2*m2+12*m2*m2位記為混沌序列y2，混沌序列z保持不變。

18、進一步，在所述步驟二中，將所述融合圖像o分為三個二維矩陣，逐個二維矩陣分別進行補零操作，補零后的每個二維矩陣大小均為m2*m2，然后將每個補零后的二維矩陣分為m2*m2/t2個子塊，

19、對于每個子塊，先利用改進后的z曲線，結合混沌序列x1對子塊進行置亂，再利用knuth-durstenfeld?shuffle算法對子塊進一步置亂，然后將置亂后的子塊按行順序保存在cell數組中。

20、進一步，所述改進的z曲線設置為一條閉環曲線，通過將z形曲線依次旋轉90度，共旋轉四次，然后彼此首尾相連得到，按照順時針方向依次包括第一z形曲線到第四z形曲線，根據起點位置和移動方向，設計出四種遍歷模式，

21、遍歷模式1為：以左下角為起點按照第一z形曲線開始遍歷；遍歷模式2為：以左上角為起點按照第二z形曲線開始遍歷；遍歷遍歷模式3為：以右上角為起點按照第三z形曲線開始遍歷；遍歷模式4為：以右下角為起點按照第四z形曲線開始遍歷；

22、利用如下方程式，將混沌序列x1中的每個元素轉換為1-64之間的數字，

23、x1＝mod(ceil(abs(x1)*1015),64)+1

24、取t＝8，利用轉換后的混沌序列x1中不同的數值作為不同子塊的起始點，按照遍歷模式對8*8大小的子塊進行置亂。

25、進一步，在所述步驟四中獲得序列dnajiema的方法包括以下步驟：

26、步驟ⅰ、先將所述cell數組中的每個元素均轉換為八位二進制字符串，組成序列hechengtu，再利用如下方程式，將混沌序列x2中的每個元素均轉換為0-7之間的數字，然后按照表1dna編碼規則，利用轉換后的混沌序列x2對序列hechengtu進行dna編碼，得到第一序列dnabianma；

27、x2＝mod(ceil(abs(x2)*1015),8)

28、表1dna編碼規則

29、

30、步驟ⅱ、重復步驟ⅰ，按照dna編碼規則，利用混沌序列x3對混沌序列z進行dna編碼，得到第二序列dnabianma，然后按照表2dna運算法則，利用混沌序列y1對第一序列dnabianma和第二序列dnabianma進行dna運算，得到序列dnayunsuan，

31、其中，利用方程式x3＝mod(ceil(abs(x3)*1015),8)，將混沌序列x3中的每個元素均處理為0-7之間的數字；

32、表2dna運算法則

33、

34、步驟ⅲ、按照dna編碼規則的逆運算，利用混沌序列y2對序列dnayunsuan進行dna解碼，得到序列dnajiema。

35、進一步，在所述步驟ⅱ中，先利用如下方程式，將混沌序列y1中的每個元素均處理為0-4之間的數字；

36、y1＝mod(ceil(abs(y1)*1015),5)

37、然后遍歷第一序列dna編碼和第二序列dna編碼相同位置的堿基，按照表2dna運算法則，當y1為0時執行第一序列dna編碼和第二序列dna編碼的加法運算，當y1為1時執行第一序列dna編碼和第二序列dna編碼的減法運算，當y1為2時執行第一序列dna編碼和第二序列dna編碼的異或運算，當y1為3時執行第一序列dna編碼和第二序列dna編碼的同或運算，當y1為4時執行第一序列dna編碼的取反運算。

38、進一步，根據改進的中心擴散算法，將所述序列dnajiema劃分為每組長度為8的多個子序列，選擇每組子序列的第四、第五位作為起始點，比較第四和第五位的數值，若數值不同時將所有位取反，若數值相同時再比較第三、第六位數值，若第三和第六位數值不同時將第一至三位和第六至八位取反，若數值相同時再比較第二、第七位數值，若第二和第七位數值不同時將第一、第二、第七和第八位取反，若數值相同時再比較第一、第八位數值，若第一和第八位數值不同時將第一和第八位取反，若數值相同時則子序列保持不變，以此實現圖像像素的擴散，再將擴散后的二進制數轉化為十進制數，并將矩陣轉化為m2*m2*3，得到加密圖像。

39、本發明有益的技術效果在于：

40、1、與現有的圖像加密技術相比，本發明的多圖像加密算法首先對不同大小的彩色圖像隨機融合得到融合圖像，并從融合圖像中隨機選取一個通道的圖像像素平均值作為sha256算法的輸入，生成密鑰，以此作為網格多渦卷混沌系統的初始值，接著使用改進的z曲線和knuth-durstenfeld?shuffle算法對融合圖像像素進行置亂，降低圖像像素間的相關性，實現了圖像像素級加密，最后利用網格多渦卷混沌序列和dna動態編碼、改進的中心擴散算法進行圖像像素擴散，完成圖像加密，這樣通過對四幅不同大小的彩色圖像通過r、g、b通道隨機組合，融合成一張彩色圖像進行并行加密，提升加密效率，并且借助混沌密鑰與融合圖像的像素值相關聯，增強密鑰的隨機性，實現“一圖一密”。

41、2、本發明針對傳統空間填充曲線置亂的局限性，設計了一種改進的z曲線，其是一條閉環曲線，通過將z形曲線依次旋轉90度，共旋轉四次，然后彼此首尾相連得到，可以在8*8大小的子塊中所有位置都可以作為起始點，得到改進的z曲線中置亂圖像像素的初始位置由網格多渦卷混沌系統的混沌序列決定，對原始子塊進行置亂，不同子塊選取的z曲線置亂初始位置不同，使得攻擊者難以通過分析直方圖和頻率分布等特征來推斷原始圖像的內容，不易被破解。

42、3、本發明采用動態dna編碼、網格多渦卷混沌序列和改進的中心擴散算法相結合對圖像像素進行擴散操作。首先，將生物學中的dna應用于圖像加密，增加了額外的復雜性和隨機性，其中動態dna編碼是將圖像像素值變化為dna中的堿基，并通過不同編碼規則的動態切換，使圖像數據的表示更加復雜，從而增強了加密強度；dna運算包含了dna加法、減法、異或、同或和取反等計算方式，運算規則結合多渦卷混沌序列動態生成，使每位堿基的計算方式都不同，進一步提高抗攻擊能力；dna解碼將堿基變換成圖像像素值，從而實現了圖像像素的第一次擴散；其次，改進的中心擴散算法應用于圖像像素的擴散處理中，選擇其中心點作為起始點，逐位比較和擴散，以此實現圖像像素的二次擴散，更好地抵抗統計攻擊和差分攻擊，進一步增強了加密算法的安全性。

43、仿真結果和安全性分析表明，本發明多圖像加密算法具有良好的安全性和對各種攻擊的抵抗能力。