基于dna動態(tài)編碼的彩色圖像加密方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種彩色圖像加密方法，特別是涉及一種基于DNA動態(tài)編碼的彩色圖 像加密方法。
【背景技術】
[0002] 在信息化時代的今天，計算機和各種智能終端的使用極大的加快了信息的傳播， 并且我們生活中的絕大多數(shù)信息，如文檔、音頻、視頻，特別是圖像信息的傳輸更是離不開 網絡的支持。網絡一方面給人們的生活帶來了便捷，但另一方面，一些不法分子會利用網絡 來竊取信息，這就給人們的信息安全帶來很大隱患，所以信息在網絡傳輸過程中的安全和 保密問題也越來越受到人們的關注和重視。由于混沌系統(tǒng)具有隨機性、確定性、遍歷性和對 初值的高度敏感性等特點，目前已成為研究者們關注的焦點。美國學者Fridrich于1998 年提出了經典的圖像加密模式，它包括兩個階段，即置亂階段和擴散階段。在置亂階段，通 常只是對圖像中的每個像素位置做處理，通過改變每個像素的位置來破壞圖像中原有的空 間有序性和局部相關性，使得圖像達到雜亂無章、無法識別并呈現(xiàn)一種類似噪聲的目的。在 擴散階段，一般是對圖像中的像素值做處理，通過混沌系統(tǒng)產生的偽隨機序列來對明文像 素進行掩蓋，以達到竊密者無法辨認的目的，從而實現(xiàn)圖像的加密。但是必須指出的是，這 兩個階段必須是一個可逆的過程，既然能對圖像進行加密，那么也必定能夠對圖像進行解 密。絕大多數(shù)圖像加密算法都是依照先置亂后擴散這樣一個思路，最終達到了良好的加密 效果。但是這些算法大都采用低維混沌系統(tǒng)對圖像進行加密，低維混沌系統(tǒng)產生的混沌序 列只是經過簡單的反復迭代形成的，安全性不夠好，并且計算機的計算精度也可能導致低 維混沌系統(tǒng)的混沌序列周期性比較短，隨機性也較差，這都對圖像的破解提供了突破口。因 此，新的加密系統(tǒng)的探索與研究是迫切需要的。
[0003] DNA加密系統(tǒng)是近年來伴隨著DNA計算的研究而出現(xiàn)的密碼學新領域，其特點是 以DNA為信息載體，以現(xiàn)代生物技術為實現(xiàn)工具，挖掘DNA固有的高存儲密度和高并行性等 優(yōu)點，實現(xiàn)加密、解密等密碼學功能。由于DNA密碼學主要是以生物學技術的局限性為安 全依據，與計算能力無關，因此即使是量子計算機也無法攻破DNA密碼學的保護，從而具有 更高的安全性。同時，由于DNA計算具有許多其它計算方式所不具備的特性，如超高并行 性、超低能耗等，加之DNA又具有超強存儲能力，這使得DNA計算在密碼學上具有先天的優(yōu) 勢。但是已有的基于DNA的加密算法大多要用生物實驗進行操作，由于生物實驗設備昂貴， 實驗環(huán)境難以控制，實驗靈敏性高等缺點，導致了基于DNA密碼學的加密方法還是理論多 于實踐，況且現(xiàn)在已知的大多基于DNA加密的算法針對的主要是文字信息或者灰度圖像信 息，考慮到彩色圖像RGB分量之間的相關性，無法直接推廣到彩色圖像的加密中。此外，在 當前提出的結合DNA編碼與混沌特性的圖像加密算法中，選用的DNA編碼規(guī)則是固定不變 的，同時由于DNA編碼規(guī)則僅有8種，使得算法抗窮舉攻擊的能力很弱，加之很多算法缺少 與明文的聯(lián)系，導致其抗明文攻擊的能力不強，這都容易造成圖像信息的泄露。

【發(fā)明內容】

[0004] 為克服現(xiàn)有技術中的問題，本發(fā)明提供一種基于DNA動態(tài)編碼的彩色圖像加密方 法，擺脫了 DNA加密中的復雜生物操作，有效將混沌特性和DNA動態(tài)編碼結合，同時考慮了 明文因素的影響，提高了算法的安全性，便于并行計算，提高了效率，且易于實現(xiàn)和控制。
[0005] 本發(fā)明的技術方案是：
[0006] -種基于DNA動態(tài)編碼的彩色圖像加密方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟1.輸入大小為MXN的8位彩色圖像P1，分離彩色圖像RGB三基色分量， 得到分量矩陣Pi_R MN、Pi_GMN、Pi_BMN，每個分量矩陣的大小均為MXN，將分量矩陣Pi_R MN、Pi_ GMN、Pi_BMN按行排序得到大小為MX 3N的明文灰度圖像P 2;
[0008] 步驟2.利用SHA256函數(shù)對明文彩色圖像？1進行計算，得到一組256位哈希值， 作為圖像密鑰Key，將該256位圖像密鑰Key換算為32個十進制數(shù)，平均分為四組，分別用 來計算置亂過程和擴散過程中所用CML混沌系統(tǒng)的初始狀態(tài)值和參數(shù)；
[0009] 步驟3.將步驟2中得到的用來計算置亂過程中的CML混沌系統(tǒng)初始狀態(tài)值和參 數(shù)帶入CML混沌系統(tǒng)中進行迭代，累計得到大小為MX 3N的狀態(tài)值矩陣Wl，將狀態(tài)值矩陣 Wl按行排序，得到大小為MX 3N的置亂矩陣K ;
[0010] 步驟4.將步驟2中得到的用來計算擴散過程中的CML混沌系統(tǒng)初始狀態(tài)值和參 數(shù)帶入CML混沌系統(tǒng)中進行迭代，累計得到大小為MX 3N的狀態(tài)值矩陣W2,將狀態(tài)值矩陣 W2中每行以8個狀態(tài)值為一組，分別對每個狀態(tài)值建立索引值；
[0011] 步驟5.將步驟4中狀態(tài)值矩陣W2轉化為整數(shù)矩陣Y，將矩陣Y按步驟4中的索引 值轉換為對應的DNA矩陣；
[0012] 步驟6.利用置亂矩陣K的第i行對明文灰度圖像P2的第i行進行置亂， I ^ i ^ M ；
[0013] 步驟7.將明文灰度圖像匕中已完成置亂的第i行像素按照步驟4中得到的索引 值轉換為對應的DNA序列，并對DNA序列進行擴散操作；
[0014] 步驟8.令i = i+Ι，循環(huán)步驟6和步驟7,直到明文灰度圖像匕中的每一行像素 都完成DNA加密；
[0015] 步驟9.將加密過后的DNA矩陣解碼為大小為MX 24N的二進制矩陣Q1，對矩陣Ql 進行十進制轉換操作，得到大小為MX 3N的十進制密文矩陣Q2,將密文矩陣Q2平均分為3 個大小為MXN的矩陣P3_RMN、P 3_GMN、P3_BMN，將三個矩陣合并重組，得到大小為MXN的彩色 密文圖像P 3，即得到加密圖像。
[0016] 上述的，所述步驟2具體包含如下內容：
[0017] 步驟2. 1.采用LTS映射作為CML混沌系統(tǒng)子模型的局部映射，LTS映射定義為：
[0018]
，通過CML混沌系統(tǒng)來生 成混沌序列，具體表達式如下：
[0020]
，式中，η = 1，2，...，η為時間索引或狀態(tài) 索引，i，j，k為映像格子的位置索引，X;,為CML模型中第i個格子在時空η的狀態(tài)值，且 (K《<U 1彡j彡L，1彡k彡L，i = 1，2,. . .，L，L為CML混沌系統(tǒng)中的耦合映像格子數(shù)， P，q，ε e [0，1]，n e [0，1]為 CML 模型的參數(shù)值。
[0021] 步驟2.2.利用SHA256函數(shù)對明文彩色圖像？1進行計算，得到一組256位的 哈希值，將其作為圖像密鑰，然后將256位的哈希值換算為32個十進制數(shù)，并將其定義 為 Ic1, k2,. . .，k32，將 Ic1, k2,. . .，k32平均分為四組，分別用 k D k2,. . .，ks，k9, k1Q,. . .，k16， km k18，· · ·，k24，k25, k26，· · ·，k32表不；
[0022] 步驟2. 3.利用Ic1, k2, . . .，kjP k 9, k1()，. . .，k16通過計算公式計算用于 置亂過程中的CML混純系統(tǒng)的8個初始狀態(tài)值'和8個參數(shù)值r1，計算公式為
，其中，4為耦合映像格子的狀態(tài)值，且〇 < ^ < 1; r1為 LTS映射的控制參數(shù)，且0 < 4 ;
[0023] 步驟2. 4.利用k17, kls, . . .，k24和k 25, k26, . . .，k32通過公式計算用于擴散過程中的 CML混沌系統(tǒng)的8個初始狀態(tài)值和8個參數(shù)值？，公式為
[0025] 優(yōu)選的，所述步驟3具體包含如下內容：
[0026] 步驟3. 1.將步驟2. 3中得到的用于置亂過程中的CML混沌系統(tǒng)的8個狀態(tài)值^ 和8個參數(shù)值r1帶入步驟2. 1中迭代 &

:，舍棄前N。個數(shù)值，累計得到大 小為MX3N的狀態(tài)值矩陣Wl，floor(x)表示不超過X的最大整數(shù)，L為CML混沌系統(tǒng)中的 耦合映像格子數(shù)；
[0028] 步驟3. 2.將狀態(tài)值矩陣Wl按照公式[ignore, K] = sort (W1, 2)按行排序，得到 大小為MX3N的置亂矩陣K，其中，sort (W1，2)表示將矩陣Wl中每一行的元素按照從小到 大的順序進行排列，ignore表示經過排列之后的矩陣，K表示的是經過排序后的元素在原 數(shù)組中對應的位置索引矩陣。
[0029] 優(yōu)選的，所述步驟4具體包含如下步驟：
[0030] 步驟4. L將步驟2. 4中得到的用于擴散過程中的CML混沌系統(tǒng)的8個狀態(tài)值端 和8個參數(shù)值r1帶入步驟2. 1中迭竹

舍棄前N。個數(shù)值，累計得到大 小為MX 3N的狀態(tài)值矩陣W2, floor (X)表示不超過X的最大整數(shù)，L表示CML混沌系統(tǒng)中 的映像格子數(shù)；
[0032] 步驟4. 2.對狀態(tài)值矩陣W2每行以8個狀態(tài)值為一組，通過公式
分別對每組狀態(tài)值建立索引，對狀態(tài)值矩陣W2 中的每一個元素都有一個唯一的索引值與其相對應，通過Ind(i，j)表示矩陣W2中第i行 第j列對應的索引值，且I < i < M，I < j < 3N，其中，sort (X，' descend'）表示將X中 的元素按照降序進行排列，X為由8個狀態(tài)值構成的數(shù)組，ignore表示經過排列之后的矩 陣，Indl表示的是經過排序后的元素在原數(shù)組中對應的位置索引矩陣，Sort(Indl)表示將 Indl中的元素按照從小到大的順序進行排序，Ind表示對Indl排序后，其元素在原Indl中 的位置索引矩陣。
[0034] 優(yōu)選的，所述步驟5包含如下內容：
[0035] 步驟5. L將狀態(tài)值矩陣W2按照公式
[0036] Y(i，j) =mod((W2(i，j)-floor(W2(i，j)))*10~8,256)轉化為整數(shù)矩陣 Y，其中，
[0037] mod (a, b)表示a對b的取模運算；floor (X)表示不超過X的最大整數(shù)；Y (i, j)表 示得到的整數(shù)矩陣Y的第i行第j列的元素值，其中1彡i彡M，1彡j彡3N ;
[0038] 步驟5. 2.定義DNA運算規(guī)則，在加密方法中直接使用DNA編碼值進行數(shù)學或邏輯 運算；
[0039] 步驟5. 3.將整數(shù)矩陣Y中的每個元素按照步驟4中對應的索引值轉換為相應的 DNA矩陣，對于任意的Y (i，j)按照第Ind (i，j)種編碼方案轉換為相應的DNA序列，將DNA 序列的第r個元素記為DNAr(Y(i，j))，其中，r = 1，2,3,4，1彡i彡M，1彡j彡3N。
[0040] 優(yōu)選的，所述步驟7具體包含如下內容：
[0041] 步驟7. 1.對明文灰度圖像匕中已完成置亂的第i行元素
[0042] P2(i，1)，P2(i，2)，P2(i，3)，· · ·，P2(i，3N)分別按照步驟4中得到的第i行的索引 值
[0043] Ind(i, 1)，Ind(i, 2)，Ind(i, 3)，· · ·，Ind(i, 3N)進行 DNA 編碼，對任意的 P2(i, j) 按照第Ind (i，j)種編碼方案轉換為相應的DNA序列，并且將DNA序列的第r個元素記為 DNAr(P2(i，j))，其中，r = 1，2,3,4，1 彡 i 彡M，1 彡 j 彡 3N;
[0044] 步驟7. 2.將得到的第i行中像素點的DNA序列通過公式
[0045] = + R1P2 (i，j)表示加密過后的DNA編碼值，Rfr υΡ2 (i，j)表示前一個加密的DNA編碼值，若r = 1，則表示前一個像素點中最后一