121311_基于MATLAB的混沌序列图像加密程序.doc

设计题目：基于MATLAB的混沌序列图像加密程序

一. 设计目的
图像信息生动形象，它已成为人类表达信息的重要手段之一，网络上的图像数据很多是要求发送方和接受都要进行加密通信，信息的安全与保密显得尤为重要，因此我想运用异或运算将数据进行隐藏，连续使用同一数据对图像数据两次异或运算图像的数据不发生改变，利用这一特性对图像信息进行加密保护。
熟练使用matlab运用matlab进行编程，使用matlab语言进行数据的隐藏加密，确保数字图像信息的安全，混沌序列具有容易生成,对初始条件和混沌参数敏感等特点，近年来在图像加密领域得到了广泛的应用。使用必要的算法将信息进行加解密，实现信息的保护。

二. 设计内容和要求
使用混沌序列图像加密技术对图像进行处理使加密后的图像
使用matlab将图像信息隐藏，实现信息加密。

三. 设计思路
1.基于混沌的图像置乱加密算法
本文提出的基于混沌的图像置乱加密算法示意图如图1所示。

加密算法如下：首先，数字图像B大小为M×N（M是图像B的行像素数，N是图像B的列像素数），将A的第j行连接到j-1行后面（j=2，3，A，M），形成长度为M×N的序列C。其次，用Logistic混沌映射产生一个长度为的混沌序列{k1，k2，A，kM×N}，并构造等差序列D：{1，2，3，A，M×N-1，M×N}。
再次，将所产生的混沌序列｛k1，k2，A，kM×N}的M×N个值由小到大排序，形成有序序列｛k1′，k2′，A’，kM×N’}，确定序列｛k1，k2，A，kM×N}中的每个ki在有序序列｛k1′，k2′，A’，kM×N’}中的编号，形成置换地址集合｛t1，t2，A，tM×N}，其中ti为集合{1，2，A，M×N}中的一个；按置换地址集合｛t1，t2，A，tM×N}对序列C进行置换，将其第i个像素置换至第ti列，i=1，2，A，M×N，得到C’。将等差序列D做相同置换，得到D’。
最后，B’是一个M×N的矩阵，B’(i ,j)=C’((i-1)×M+j)，其中i=1，2，A，M；j=i=1，2，A，N，则B’就是加密后的图像文件。
解密算法与加密算法相似，不同之处在于第3步中，以序列C’代替随机序列｛k1，k2，A，kM×N}，即可实现图像的解密。
2.用MATLAB的实现基于混沌的图像置乱加密算法
本文借助MATLAB软件平台，使用MATLAB提供的文本编辑器进行编程实现加密功能。根据前面加密的思路，把加密算法的编程分为三个主要模块：首先，构造一个与原图a等高等宽的矩阵b加在图像矩阵a后面形成复合矩阵c：
b=zeros(m1,n1);
ifm1>=n1
ifm1>n1
fore=1:n1
b=(e,e);
end
……
else
fore=1:n1
end
fore=1:(n1-m1)
b((m1+e-1),e)=m1+e-1
end
end
c=zeros(m1*2,n1);
c=zeros(m1*2,1);
c=[b,a];
然后，用Logitic映射产生混沌序列：
……
forn=1:n1+100x(n+1)=q*x(n)*(1-x(n));
endn=101:1:n1+100;
y(n-100)=x(n);
……
最后，采用冒泡法将产生的混沌序列值由小到大进行排序，并利用同样的换序条理依次对复合矩阵的列和行进行打乱排序：
forf=1:n1-1forh=f:n1ify(f)>y(h)k=y(f);
y(f)=y(h);
y(h)=k;
c1=c(:,f);
c(:,f)=c(:,h);
c(:,h)=c1;
end
……
forh=g:m1
if y(f>y<h)
k=y(f)
y(f)=y(h)
y(h)=k;
d1=d(:,f);
d(:,f)=d(:,h);
d(:h)=d;
end
……
解密的程序与加密的相反。
3.基于混沌的图像置乱加密算法效果分析
利用Logistic混沌序列对图像像素点置乱对图像文件加密，其效果要比用Logistic混沌序列直接对图像文件加密好，令x0=0．3001，图2（b）为用Logistic混沌序列直接对图像文件爱你进行加密的图像，图2（c）为用Logistic混沌序列对图像像素点置乱对图像文件进行加密的图像，图2（d）为其的解密图像文件。
4.设计原理
运用异或运算将数据进行隐藏，连续使用同一数据对图像数据两次异或运算图像的数据不发生改变，利用这一特性对图像信息进行加密保护。用户输入的密码必须在0~1之间任何一个数据进行加密，并且加密的程序与解密的程序输入的密码必须一致才能正确解密。

解密密钥

加密密钥

密码生成算法
密码生成算法

混沌序号序列
混沌序号序列

明文
明文

四. 源程序

%该程序针对图像近似系数和高频系数进行加密，以达到加密的效果
clear all;
t0 = clock; %测试程序运行时间
im=imread('tank.jpg');
im1=rgb2gray(im); %图像灰度化
im1=medfilt2(im1,[3 3]); %图像平滑处理
figure;
imshow(im1);
title('灰度化处理');
im1=double(im1);
%小波变换，获取图像的低频高频系数
[ca1,ch1,cv1,cd1]=dwt2(im1,'bior3.7');
figure(3);
subplot(231);
imshow(ca1,[]);
title('图像近似');
subplot(232);
imshow(ch1);
title('低频水平分量');
subplot(233);
imshow(cv1);
title('低频垂直分量');
subplot(234);
imshow(cd1),;
title('高频分量');
%%%%%%以下为混沌加密算法%%%%%%
[M,N]=size(ca1);
e=hundungen(M,N,0.1);
tt=0.1;
fca1=mod(tt*ca1+(1-tt)*e,256);
subplot(235);
imshow(fca1,[]);
title('加密');
im2=idwt2(ca1,ch1,cv1,cd1,'bior3.7');
figure(4);
imshow(uint8(im2),[]);
title('灰度图像小波重构');
im3=idwt2(fca1,ch1,cv1,cd1,'bior3.7');
figure(5);
imshow(uint8(im3),[]);
title('加密图像小波重构');
%%%%%%以下为混沌解密算法%%%%%%
e=hundungen(M,N,0.1);
[fca1,ch1,cv1,cd1]=dwt2(im3,'bior3.7');
fca2=(fca1-(1-tt)*e)/tt;
im4=idwt2(fca2,ch1,cv1,cd1,'bior3.7');
figure(6);
imshow(uint8(im4),[]);
title('解密图像小波重构');
%置乱后图像的均值
figure(7);
subplot(221)
imhist(uint8(im1));
title('初始图像的直方图');
subplot(222)
imhist(uint8(fca1));
title('ca1系数加密之后的直方图');
subplot(223)
imhist(uint8(im3));
title('加密之后的直方图');
subplot(224)
imhist(uint8(im4));
title('解密之后的直方图');
ssy=sum(sum(im3));
%置乱后图像的均值
uy=ssy/(M*N);
vy=sum(sum((im3-uy)^2));
ssx=sum(sum(im1));
%原图像的均值
ux=ssx/(M*N);
vx=sum(sum((im1-ux)^2));
Variancey=vy/uy; %置乱后图像的方差
Variancex=vx/ux; %原图像的方差
%置乱度
DDD=Variancey/Variancex;
etime(clock,t0)

五.运行结果及分析总结
1.运行结果：

2.结果分析：
由程序的运行结果来看，原图被加密后在显示出来，已经无法辨别其内容，实现了图像数据的隐藏，这种混沌序列方法对图像数据的加密是十分有用，实现了信息的保密，在网络传输中能够很好地保护图像数据不被第三方轻易获取其内容，实现数据的隐藏保护。
3.心得体会
通过运用matlab语言进行图像数据的加解密，不仅了解了matlab本身处理信息的优越性也了解了信息安全的必要性，对于信息的保密是十分重要的，尤其是一些安全部门。对于图像信息的加密了解了混沌序列的一些初步知识，对于混沌序列的思想有的一些了解，本程序是通过异或运算的特性对图像信息进行加解密，使图像信息的到保护。