基于激光散斑和Henon映射的图像加密方法
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第 ４５卷 第 ４期
Ｖ ｏ１．４５ Ｎｏ．４
红外 与激 光工程
Ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２０１６年 ４月
Ａｐｒ．２０１６
基 于 激 光 散 斑 和 Ｈｅｎｏｎ映 射 的 图像 加 密 方 法
贺锋 涛 ，张 敏 ，白 可 ，孙 力
（西安 邮 电 大学 电子 工程 学 院 ，陕 西 西安 ７１００６１）
Ｉｍ ａｇｅ ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ ｍ ｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｌａｓｅｒ ｓｐｅｃｋｌｅ ａｎｄ Ｈ ｅｎｏｎ ｍ ａｐｐｉｎｇ
Ｈ ｅ Ｆｅｎｇｔａｏ，Ｚｈａｎｇ Ｍ ｉｎ，Ｂａｉ Ｋｅ，Ｓｕｎ Ｌｉ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ ａｌｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｏｓｔ ａｎｄ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｘｉ ａｌｌ ７１００６１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍａｇｅ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｅｘｃｈａｎ ｇｅ，ａ ｎｅｗ ｍｅｔ ｈｏｄ ｗａｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗ ａｒｄｓ ｔｈ ａｔ ｌａｓｅｒ ｓｐｅｃｋｌｅ ａｎｄ Ｈｅｎｏｎ ｍａｐｐｉｎｇ ｗｅｒｅ ｍ ｉｘｅｄ ａｎｄ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｉｍ ａｇｅ ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｌａｓｅｒ ｓｐｅｃｋｌｅ ｉｍ ａｇｅ ｇｒａｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｗａｓ ｒａｎｄｏｍ ，ｉｔ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｓｃａｎ ｎｅｄ ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｒａｎ ｄｏｍ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ＳＣＡＮ ｌａｎｇｕａｇｅ．Ａ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｉｓ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｗｉｔ ｈ Ｈｅｎｏｎ ｍ ａｐｐｉｎｇ ｔｈａｔ ｓｕｍ ｍ ｏｄｕｌｏ ｆｏｒｍ ａ ｎｅｗ ｓｅｑｕｅｎｃｅ．Ｕｓｉｎｇ ｔｈ ｅ ｎｅｗ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｔｏ ｍａｄｅ ｂｉｔ—ｗｉｓｅ ｅｘｃｌｕｓｉｖｅ ｏｒ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｉｍ ａｇｅｓ ｔｏ ｂｅ ｅｎｃｒｙｐｔｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈ ａｔ ｔｈ ｅ
收 稿 日 期 ：２０１５—０７—０５： 修 订 日期 ：２０１５—０８—１０ 基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 （６１２０１１９３） 作者简 介 ：贺锋 涛（１９７４一），男 ，副教授 ，博 士 ，主要 从事 光 电传感 信息 处理 技术 ，信 息高 密度光 存储 等方 面 的研究 。
Ｅｍａｉｌ：ｈｅｆｅｎｇｔａｏ＠ｘｕｐｔ．ｅｄｕ．ｃｎ．
通 讯 作 者 ：张 敏 （１９９０一），女 ，硕 士 生 ，主 要 从 事 激 光 应 用 方 面 的 研 究 。Ｅｍａｉｌ：ｘｉａｏｂａｉｚｈａｎｇ１９９０＠１２６．ｔｏｍ
０４２８ｏｏ３一ｌ
４期
红 外与 激 光 工 程 ＷＷ Ｗ．ｉｄａ．ｃａ
０ 引 言
ＳＣＡＮ 语 言是 一 种将 二 维数 据转 换 为 一维 序 列 的方 法 ，它 可 以产生 大 量 的扫描 路径 或空 间填 充 啦线 ，因
随 着 多媒体 通 信技 术 日新 月异 的 发展 ．人 们 对 图像传 输 的需 求也 日益增 加 ，图像 安全 和保 密 工 作 亦 与 日俱 增 。图像 加 密技术 主要分 为 像 素空 间位 置 置 乱 和灰 度值 的置 乱 两类 。基 于 图像 空 间位 置置 乱 技 术—— 如 Ａｒｏｎｄ变 换【ｌ】，Ｈｉｌｂｅｒｔ曲线 变 换 【１ ，骑 士 巡 游 变 换 【３１，魔 方 变 换【 ｌ等 ，均 具有 或长 或 短 的 变 换 周 期且 并 未改 变 图像 的灰 度 统计 特性 ，因此难 以抵 御 统计 分 析 的攻击 。基 于灰 度值 的置乱 技 术—— 如
ｍｅｔｈｏｄ ｈａｓ ａ ｇｏｏｄ ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ，ｓｔｒｏｎｇ ｋｅｙ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｗｅａｋ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｏｆ ａｄｊａｃｅｎｔ ｐｉｘｅｌｓ，ｃｏｕｌｄ
ａｇａｉｎｓｔ ｔ ｈ ｅ ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ａｔｔａｃｋ． Ｋ ｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒ Байду номын сангаасｐｅｃｋｌ ｅ； Ｈｅｎｏｎ ｍ ａｐｐｉｎｇ； ｒａｎ ｄｏｍ ｓｅｑｕｅｎｃｅ； ｉｍ ａｇｅ ｅｎｃｒｙ ｐｔｉｏｎ
摘 要 ：为 了提 高图像 在信 息交换 中的安全性 与 可 靠性 ，提 出一种 将激 光散 斑 和 Ｈｅｎｏｎ映射 混合 应 用 于 图像 加 密 的新 方 法。激 光散 斑 图像 灰度 分布 具 有 随机性 ，采 用 ＳＣＡＮ 语 言将其 扫描 为 不 同的 随 机 序 列 ，该序 列与 Ｈｅｎｏｎ映射 生成 的序 列求和 形成 新序 列 ，新 序 列与待加 密的原 始 图像 按位 异 或 实 现加 密。结果表 明 ：该 方法具 有较 好 的加 密效果 ，较 强 的密钥敏 感性 ，较 弱 的相邻像 素 相 关性 ，可抵御 统 计 分 析 攻 击 。 关 键词 ：激光散 斑 ； Ｈｅｎｏｎ映射 ； 随机序 列 ； 图像加 密 中 图 分 类 号 ：ＴＮ２４９ 文 献 标 志 码 ：Ａ ＤｏＩ：ｌ０．３７８８／ＩＲＬＡ２０ｌ６４５．０４２８００３
此 是 一种 有效 的 数据访 问技术 。由于 激光散 斑 图像 灰 度 分 布 具 有 的 随机 性 ㈣ ，可视 为物 理 随 机 序列 发 生器 。故可 用 ＳＣＡＮ语 言［１４－１５】将 其 扫 描 为不 同 的 随 机序列 。 １．２ Ｈｅｎｏｎ映 射
Ｈｅｎｏｎ映 射 不止 是 一种 简 单 的 二维 映射 ．而 且 也是 一 种非 平凡 二次 方 型非 线性 二维 映射 ，但 它 的 动力 学性 质 已足够 复杂 ，且存 在唯 一确定 的单值解 。
Ｖ ｏ１．４５ Ｎｏ．４
红外 与激 光工程
Ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２０１６年 ４月
Ａｐｒ．２０１６
基 于 激 光 散 斑 和 Ｈｅｎｏｎ映 射 的 图像 加 密 方 法
贺锋 涛 ，张 敏 ，白 可 ，孙 力
（西安 邮 电 大学 电子 工程 学 院 ，陕 西 西安 ７１００６１）
Ｉｍ ａｇｅ ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ ｍ ｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｌａｓｅｒ ｓｐｅｃｋｌｅ ａｎｄ Ｈ ｅｎｏｎ ｍ ａｐｐｉｎｇ
Ｈ ｅ Ｆｅｎｇｔａｏ，Ｚｈａｎｇ Ｍ ｉｎ，Ｂａｉ Ｋｅ，Ｓｕｎ Ｌｉ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ ａｌｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｏｓｔ ａｎｄ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｘｉ ａｌｌ ７１００６１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍａｇｅ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｅｘｃｈａｎ ｇｅ，ａ ｎｅｗ ｍｅｔ ｈｏｄ ｗａｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗ ａｒｄｓ ｔｈ ａｔ ｌａｓｅｒ ｓｐｅｃｋｌｅ ａｎｄ Ｈｅｎｏｎ ｍａｐｐｉｎｇ ｗｅｒｅ ｍ ｉｘｅｄ ａｎｄ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｉｍ ａｇｅ ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｌａｓｅｒ ｓｐｅｃｋｌｅ ｉｍ ａｇｅ ｇｒａｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｗａｓ ｒａｎｄｏｍ ，ｉｔ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｓｃａｎ ｎｅｄ ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｒａｎ ｄｏｍ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ＳＣＡＮ ｌａｎｇｕａｇｅ．Ａ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｉｓ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｗｉｔ ｈ Ｈｅｎｏｎ ｍ ａｐｐｉｎｇ ｔｈａｔ ｓｕｍ ｍ ｏｄｕｌｏ ｆｏｒｍ ａ ｎｅｗ ｓｅｑｕｅｎｃｅ．Ｕｓｉｎｇ ｔｈ ｅ ｎｅｗ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｔｏ ｍａｄｅ ｂｉｔ—ｗｉｓｅ ｅｘｃｌｕｓｉｖｅ ｏｒ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｉｍ ａｇｅｓ ｔｏ ｂｅ ｅｎｃｒｙｐｔｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈ ａｔ ｔｈ ｅ
收 稿 日 期 ：２０１５—０７—０５： 修 订 日期 ：２０１５—０８—１０ 基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 （６１２０１１９３） 作者简 介 ：贺锋 涛（１９７４一），男 ，副教授 ，博 士 ，主要 从事 光 电传感 信息 处理 技术 ，信 息高 密度光 存储 等方 面 的研究 。
Ｅｍａｉｌ：ｈｅｆｅｎｇｔａｏ＠ｘｕｐｔ．ｅｄｕ．ｃｎ．
通 讯 作 者 ：张 敏 （１９９０一），女 ，硕 士 生 ，主 要 从 事 激 光 应 用 方 面 的 研 究 。Ｅｍａｉｌ：ｘｉａｏｂａｉｚｈａｎｇ１９９０＠１２６．ｔｏｍ
０４２８ｏｏ３一ｌ
４期
红 外与 激 光 工 程 ＷＷ Ｗ．ｉｄａ．ｃａ
０ 引 言
ＳＣＡＮ 语 言是 一 种将 二 维数 据转 换 为 一维 序 列 的方 法 ，它 可 以产生 大 量 的扫描 路径 或空 间填 充 啦线 ，因
随 着 多媒体 通 信技 术 日新 月异 的 发展 ．人 们 对 图像传 输 的需 求也 日益增 加 ，图像 安全 和保 密 工 作 亦 与 日俱 增 。图像 加 密技术 主要分 为 像 素空 间位 置 置 乱 和灰 度值 的置 乱 两类 。基 于 图像 空 间位 置置 乱 技 术—— 如 Ａｒｏｎｄ变 换【ｌ】，Ｈｉｌｂｅｒｔ曲线 变 换 【１ ，骑 士 巡 游 变 换 【３１，魔 方 变 换【 ｌ等 ，均 具有 或长 或 短 的 变 换 周 期且 并 未改 变 图像 的灰 度 统计 特性 ，因此难 以抵 御 统计 分 析 的攻击 。基 于灰 度值 的置乱 技 术—— 如
ｍｅｔｈｏｄ ｈａｓ ａ ｇｏｏｄ ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ，ｓｔｒｏｎｇ ｋｅｙ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｗｅａｋ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｏｆ ａｄｊａｃｅｎｔ ｐｉｘｅｌｓ，ｃｏｕｌｄ
ａｇａｉｎｓｔ ｔ ｈ ｅ ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ａｔｔａｃｋ． Ｋ ｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒ Байду номын сангаасｐｅｃｋｌ ｅ； Ｈｅｎｏｎ ｍ ａｐｐｉｎｇ； ｒａｎ ｄｏｍ ｓｅｑｕｅｎｃｅ； ｉｍ ａｇｅ ｅｎｃｒｙ ｐｔｉｏｎ
摘 要 ：为 了提 高图像 在信 息交换 中的安全性 与 可 靠性 ，提 出一种 将激 光散 斑 和 Ｈｅｎｏｎ映射 混合 应 用 于 图像 加 密 的新 方 法。激 光散 斑 图像 灰度 分布 具 有 随机性 ，采 用 ＳＣＡＮ 语 言将其 扫描 为 不 同的 随 机 序 列 ，该序 列与 Ｈｅｎｏｎ映射 生成 的序 列求和 形成 新序 列 ，新 序 列与待加 密的原 始 图像 按位 异 或 实 现加 密。结果表 明 ：该 方法具 有较 好 的加 密效果 ，较 强 的密钥敏 感性 ，较 弱 的相邻像 素 相 关性 ，可抵御 统 计 分 析 攻 击 。 关 键词 ：激光散 斑 ； Ｈｅｎｏｎ映射 ； 随机序 列 ； 图像加 密 中 图 分 类 号 ：ＴＮ２４９ 文 献 标 志 码 ：Ａ ＤｏＩ：ｌ０．３７８８／ＩＲＬＡ２０ｌ６４５．０４２８００３
此 是 一种 有效 的 数据访 问技术 。由于 激光散 斑 图像 灰 度 分 布 具 有 的 随机 性 ㈣ ，可视 为物 理 随 机 序列 发 生器 。故可 用 ＳＣＡＮ语 言［１４－１５】将 其 扫 描 为不 同 的 随 机序列 。 １．２ Ｈｅｎｏｎ映 射
Ｈｅｎｏｎ映 射 不止 是 一种 简 单 的 二维 映射 ．而 且 也是 一 种非 平凡 二次 方 型非 线性 二维 映射 ，但 它 的 动力 学性 质 已足够 复杂 ，且存 在唯 一确定 的单值解 。