本發(fā)明涉及新一代信息，具體涉及一種基于分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)固定時(shí)間同步的dna彩色圖像加密/處理方法、裝置、系統(tǒng)、電子設(shè)備及計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)。

背景技術(shù)：

1、分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)是整數(shù)階混沌系統(tǒng)的一種推廣，是一類復(fù)雜的非線性動(dòng)力系統(tǒng)，其廣泛存在于自然、金融、工程等多個(gè)領(lǐng)域。分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)既有混沌系統(tǒng)對(duì)初值的依賴性、不可預(yù)測(cè)性等特點(diǎn)，又具有分?jǐn)?shù)階系統(tǒng)的遺傳特性和系統(tǒng)階次緊密相關(guān)的性質(zhì)。因此，它在保密通信、電磁場(chǎng)、生物醫(yī)學(xué)上具有潛在的應(yīng)用前景，并且已發(fā)展成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

2、同步性是分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)的一個(gè)重點(diǎn)研究方向，其誤差系統(tǒng)的收斂性決定混沌系統(tǒng)同步效果，目前許多同步控制方法都是漸近同步，即在時(shí)間趨于無窮時(shí)實(shí)現(xiàn)同步。但是，隨著科技的全面高效發(fā)展，許多控制系統(tǒng)必須在極短的時(shí)間內(nèi)完成指定任務(wù)，漸近同步已不利于在實(shí)際工程應(yīng)用。然而，盡管有限時(shí)間同步的同步時(shí)間是有界的，但受系統(tǒng)初始值的影響。固定時(shí)間同步控制克服了這些問題，其同步時(shí)間僅與系統(tǒng)和控制器的參數(shù)相關(guān)。目前，固定時(shí)間同步應(yīng)用到多種工程領(lǐng)域，如航天器姿態(tài)調(diào)整、離心飛輪調(diào)速器、切換隨機(jī)rossler系統(tǒng)、安全通信等。因此，若分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)能在固定時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)同步是具有極大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3、1989年，matthews首次將混沌系統(tǒng)的高復(fù)雜性、敏感性和隨機(jī)性應(yīng)用于密碼學(xué)研究，開辟了混沌加密的新領(lǐng)域，迅速使得混沌圖像加密成為重要的圖像加密技術(shù)。近年來，許多學(xué)者對(duì)混沌同步理論在圖像加密中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。值得注意的是，當(dāng)使用混沌同步理論為圖像或音頻生成加密和解密密鑰時(shí)，精確的同步時(shí)間對(duì)于選擇匹配密鑰至關(guān)重要。然而，迅速獲得準(zhǔn)確的初始條件并不容易，有時(shí)這些條件必須保密。由于固定時(shí)間同步的同步時(shí)間與初始條件無關(guān)，正好彌補(bǔ)了這一缺點(diǎn)。因此，在固定時(shí)間同步技術(shù)下實(shí)現(xiàn)圖像加解密能夠提高安全性，但相關(guān)的研究還很少。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)固定時(shí)間同步的dna彩色圖像加密/處理方法、裝置、系統(tǒng)、電子設(shè)備及計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，通過采用與分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)的階數(shù)相關(guān)的固定時(shí)間同步控制結(jié)合分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)，提高了dna彩色圖像加密的效率和安全性。

2、本發(fā)明的第一個(gè)目的在于提供一種基于分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)固定時(shí)間同步的dna彩色圖像加密方法。

3、本發(fā)明的第二個(gè)目的在于提供一種基于分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)固定時(shí)間同步的dna彩色圖像處理方法。

4、本發(fā)明的第三個(gè)目的在于提供一種基于分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)固定時(shí)間同步的dna彩色圖像加密裝置。

5、本發(fā)明的第四個(gè)目的在于提供一種基于分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)固定時(shí)間同步的dna彩色圖像處理系統(tǒng)。

6、本發(fā)明的第五個(gè)目的在于提供一種電子設(shè)備。

7、本發(fā)明的第六個(gè)目的在于提供一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)。

8、本發(fā)明的第一個(gè)目的可以通過采取如下技術(shù)方案達(dá)到：

9、一種基于分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)固定時(shí)間同步的dna彩色圖像加密方法，應(yīng)用于數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)端，所述方法包括：

10、根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送端建立的分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)的主系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)接收端建立的分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)的從系統(tǒng)，設(shè)定同步誤差；

11、根據(jù)同步誤差設(shè)計(jì)固定時(shí)間同步控制器，并將固定時(shí)間同步控制器作用于數(shù)據(jù)接收端的從系統(tǒng)，以使在固定時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)接收端的從系統(tǒng)同步于數(shù)據(jù)發(fā)送端的主系統(tǒng)；

12、基于數(shù)據(jù)接收端的從系統(tǒng)同步于數(shù)據(jù)發(fā)送端的主系統(tǒng)，以使數(shù)據(jù)發(fā)送端根據(jù)待加密的彩色圖像和同步后的主系統(tǒng)信號(hào)，利用dna編碼規(guī)則實(shí)現(xiàn)dna彩色圖像加密。

13、進(jìn)一步的，所述固定時(shí)間同步控制器為：

14、

15、其中，π(t)為固定時(shí)間同步控制器，為t時(shí)刻分?jǐn)?shù)階系統(tǒng)的caputo微分，t0為初始時(shí)刻，q為分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)的階數(shù)；ζ(t)為同步誤差；常數(shù)α＞0,β＞0,δ＞1,0＜θ＜1，矩陣ω＝w+l，w∈rn×n，l為滿足lipschitz條件的常數(shù)構(gòu)成的對(duì)角矩陣；sign是符號(hào)函數(shù)，是伽馬函數(shù)，不定函數(shù)ψ(t)：r+→r滿足ψ+(s)＝0∨ψ(s)且

16、進(jìn)一步的，將固定時(shí)間同步控制器作用于數(shù)據(jù)接收端的從系統(tǒng)，同步時(shí)間te滿足：

17、

18、其中，

19、進(jìn)一步的，所述同步誤差為：

20、ζ(t)＝φ*(t)-φ(t)

21、其中，φ*(t)為數(shù)據(jù)接收端的從系統(tǒng)的狀態(tài)變量，φ(t)為數(shù)據(jù)發(fā)送端的主系統(tǒng)的狀態(tài)變量。

22、進(jìn)一步的，所述分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)的主系統(tǒng)為：

23、

24、所述分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)的從系統(tǒng)為：

25、

26、其中，為t時(shí)刻分?jǐn)?shù)階系統(tǒng)的caputo微分，t0為初始時(shí)刻，q為分?jǐn)?shù)階系統(tǒng)的階數(shù)；φ(t)為主系統(tǒng)的狀態(tài)變量，φ0為主系統(tǒng)的初始值；φ*(t)為從系統(tǒng)的狀態(tài)變量，φ*0為從系統(tǒng)的初始值；w∈rn×n；η:rn→rn是非線性函數(shù)，η(0)＝0；π(t)為待設(shè)計(jì)的同步控制器。

27、進(jìn)一步的，所述根據(jù)待加密的彩色圖像和同步后的主系統(tǒng)信號(hào)，利用dna編碼規(guī)則實(shí)現(xiàn)dna彩色圖像加密，包括：

28、提取待加密的彩色圖像的紅色通道、綠色通道以及藍(lán)色通道的分量矩陣ir、ig、ib；其中，ir、ig、ib的元素取值均為(0,1,…,255)中的一個(gè)；

29、依次對(duì)分量矩陣ir、ig、ib進(jìn)行補(bǔ)零，補(bǔ)零后的矩陣維數(shù)為m1×n1；將分量矩陣ir、ig、ib分成個(gè)l×l大小的方塊；其中，l為大于1的正整數(shù)；

30、從同步時(shí)間開始，從主系統(tǒng)生成的混沌序列中截取長(zhǎng)度為m1×n1的序列；將截取序列的元素值轉(zhuǎn)換為0～255之間的值，再轉(zhuǎn)換成與分量矩陣ir、ig、ib相同維度的隨機(jī)矩陣s；

31、設(shè)定logistic映射ln的參數(shù)κ和l0為密鑰，連續(xù)迭代得到序列l(wèi)x、ly、lz、lh，且序列l(wèi)x、ly、lz、lh的長(zhǎng)度均為

32、分別對(duì)lx、ly、lz、lh進(jìn)行處理，得到對(duì)應(yīng)的lx1、ly1、lz1、lh1；

33、利用lx1決定的編碼規(guī)則，分別對(duì)分量矩陣ir、ig、ib進(jìn)行dna編碼；

34、利用ly1決定的編碼規(guī)則，對(duì)隨機(jī)矩陣s進(jìn)行dna編碼；

35、利用lz1決定的dna運(yùn)算規(guī)則，分別對(duì)dna編碼后ir、ig、ib與s進(jìn)行dna運(yùn)算；

36、利用lh1決定的dna解碼規(guī)則，對(duì)dna運(yùn)算后的ir、ig、ib進(jìn)行dna解碼；

37、將dna解碼后的ir、ig、ib進(jìn)行合并，得到加密圖像。

38、本發(fā)明的第二個(gè)目的可以通過采取如下技術(shù)方案達(dá)到：

39、一種基于分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)固定時(shí)間同步的dna彩色圖像處理方法，所述方法包括：

40、對(duì)彩色圖像進(jìn)行加密，基于上述的dna彩色圖像加密方法實(shí)現(xiàn)；

41、在數(shù)據(jù)接收端對(duì)加密的彩色圖像進(jìn)行解密，包括：基于從系統(tǒng)同步于數(shù)據(jù)發(fā)送端的主系統(tǒng)，根據(jù)接收的加密的彩色圖像和同步后的從系統(tǒng)信號(hào)，利用dna編碼規(guī)則實(shí)現(xiàn)dna彩色圖像解密。

42、進(jìn)一步的，解密過程是加密過程的逆過程；在解密過程中，將主系統(tǒng)生成的混沌序列替換為從系統(tǒng)生成的混沌序列，密鑰與解密過程相同。

43、本發(fā)明的第三個(gè)目的可以通過采取如下技術(shù)方案達(dá)到：

44、一種基于分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)固定時(shí)間同步的dna彩色圖像加密裝置，所述裝置包括：

45、同步誤差設(shè)定模塊，用于根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送端建立的分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)的主系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)接收端建立的分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)的從系統(tǒng)，設(shè)定同步誤差；

46、同步控制器設(shè)計(jì)模塊，用于根據(jù)同步誤差設(shè)計(jì)固定時(shí)間同步控制器，并將固定時(shí)間同步控制器作用于數(shù)據(jù)接收端的從系統(tǒng)，以使在固定時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)接收端的從系統(tǒng)同步于數(shù)據(jù)發(fā)送端的主系統(tǒng)；

47、加密模塊，用于基于數(shù)據(jù)接收端的從系統(tǒng)同步于數(shù)據(jù)發(fā)送端的主系統(tǒng)，以使數(shù)據(jù)發(fā)送端根據(jù)待加密的彩色圖像和同步后的主系統(tǒng)信號(hào)，利用dna編碼規(guī)則實(shí)現(xiàn)dna彩色圖像加密。

48、本發(fā)明的第四個(gè)目的可以通過采取如下技術(shù)方案達(dá)到：

49、一種基于分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)固定時(shí)間同步的dna彩色圖像處理系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

50、dna彩色圖像加密模塊，用于對(duì)彩色圖像進(jìn)行加密，基于上述的dna彩色圖像加密方法實(shí)現(xiàn)；

51、dna彩色圖像解密模塊，用于在數(shù)據(jù)接收端對(duì)加密的彩色圖像進(jìn)行解密，包括：基于從系統(tǒng)同步于數(shù)據(jù)發(fā)送端的主系統(tǒng)，根據(jù)接收的加密的彩色圖像和同步后的從系統(tǒng)信號(hào)，利用dna編碼規(guī)則實(shí)現(xiàn)dna彩色圖像解密。

52、本發(fā)明的第五個(gè)目的可以通過采取如下技術(shù)方案達(dá)到：

53、一種電子設(shè)備，包括處理器以及用于存儲(chǔ)處理器可執(zhí)行程序的存儲(chǔ)器，處理器執(zhí)行存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的程序時(shí)，實(shí)現(xiàn)上述的基于分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)固定時(shí)間同步的dna彩色圖像加密方法或基于分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)固定時(shí)間同步的dna彩色圖像處理方法。

54、本發(fā)明的第六個(gè)目的可以通過采取如下技術(shù)方案達(dá)到：

55、一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，存儲(chǔ)有程序，程序被處理器執(zhí)行時(shí)，實(shí)現(xiàn)上述的基于分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)固定時(shí)間同步的dna彩色圖像加密方法或基于分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)固定時(shí)間同步的dna彩色圖像處理方法。

56、本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的有益效果：

57、本發(fā)明提供的基于分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)固定時(shí)間同步的dna彩色圖像加密/處理方法、裝置、系統(tǒng)、電子設(shè)備及計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，可以根據(jù)需要對(duì)同步時(shí)間進(jìn)行預(yù)先設(shè)定；基于同步時(shí)間與分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)的階數(shù)相關(guān)，能夠更加準(zhǔn)確且有效的估計(jì)同步時(shí)間，提高傳輸信息的效率以及安全性；基于同步控制器包含分?jǐn)?shù)階項(xiàng)，能夠增強(qiáng)控制器的可調(diào)節(jié)性，具有更好的通用性；由于固定時(shí)間同步控制的lyapunov函數(shù)導(dǎo)數(shù)是不定的，甚至可以是正值，降低了算法的保守性；將固定時(shí)間同步控制與dna編碼運(yùn)算規(guī)則相結(jié)合，能夠顯著提升圖像加密的安全性。