[發明專利]基于RT-DNA元胞自動機的圖像加密方法

有效

• 申請號: 201210067774.7
• 申請日: 2012-03-14
• 公開（公告）號: CN103310157A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發明（設計）人: 張強;周士華;魏小鵬
• 申請（專利權）人: 大連大學
• 主分類號: G06F21/60
• 分類號: G06F21/60;G06F19/20;G06T1/00;H04L9/00
• 代理公司: 大連智慧專利事務所 21215
• 代理人: 劉琦

技術領域

本發明涉及DNA計算領域和數字圖像加密的領域，具體是一種數字圖像加密方法，主要是利用RT-DNA元胞自動機的規則實現圖像加密的目的。

背景技術

隨著數字技術以及計算機網絡的快速發展，數字圖像已經成為信息表達和傳遞的主要方式之一，被廣泛地應用到政治、經濟、軍事、教育等各領域，人們可以通過網絡便捷地傳輸各種圖像信息。然而，由于數字信息極易被復制、篡改、非法傳播和蓄意攻擊，人們在享受信息傳遞的快捷便利的同時，也對信息傳輸的安全性和保密性提出了更高的要求。

基于混沌理論的圖像加密技術是目前圖像加密領域中使用最廣泛的一種方法。它是把待加密的圖像信息看作是按照某種方式編碼的數據流，利用混沌信號來對圖像數據流進行加密的。由于混沌具有寬頻譜、類隨機性、對系統參數及初始狀態的極端敏感性等一系列性質，使得此類方法具有保密性強、隨機性好、密鑰量大、更換密鑰方便等優點。然而，盡管基于混沌的圖像加密具有上述特點和優勢，但目前混沌理論在密碼學上的實際應用中也同樣存在著許多問題，比如混沌系統的離散化問題、有限精度問題等，而且，隨著混沌破譯技術的不斷發展，如Short通過多步非線性預測的方法先后破譯了混沌掩蓋與混沌調制的加密方案。因此，基于混沌的圖像加密技術的安全性也受到嚴重的威脅。

傳統的加密方法中將只有一次一密是安全的。一次一密雖然是目前最為安全的一種加密方法，但是由于保存一個巨大的一次一密亂碼本非常困難，所以現有的一次一密的使用受到了很大的限制。除了軍事等極少數部門之外，普通使用者根本無法利用一次一密進行圖像加密。

基于DNA密碼學的加密方法是近年來伴隨著DNA計算的研究而出現的密碼學新領域，其特點是以DNA為信息載體，以現代生物技術為實現工具，挖掘DNA固有的高存儲密度和高并行性等優點，實現加密、解密等密碼學功能。已有的基于DNA密碼學的加密方法中加密信息通常只能通過物理的方法進行傳遞。而且對于發送者和接受者來說，都要進行較為復雜的生物學實驗，因此加密和解密的成本均很高。

為了克服上述加密方案的缺點，本發明提出了一種基于RT-DNA元胞自動機的圖像加密方法。在這種方法中，利用天然DNA序列作為主要的密鑰，一方面繼承了一次一密加密方法的優點，一方面又解決了一次一密亂碼本困難保存的問題。同時，此方法擺脫了DNA密碼學中的復雜生化操作，可以有效地對數字圖像進行加密，加密結果可以通過互聯網進行傳遞?，F有的密碼學分析的方法也不能有效地破解本加密方法。本方法具有較高的安全性，加密效果好，密鑰空間大，能夠有效地抵抗窮舉攻擊，統計攻擊以及差分攻擊，且方法易于實現，成本較低。

發明內容

為實現以上目的，本發明采用的技術方案是：首先，利用天然DNA序列產生一個與編碼后原圖像規模相同的DNA矩陣。然后，定義了一個DNA模板的概念，用其修正由天然DNA序列形成的矩陣，得到密鑰DNA矩陣。最后，使用新定義的RT-DNA元胞自動機規則進行加密，得到加密圖像。附圖1所示為本發明的方法流程圖，其具體包括以下技術環節：

1.圖像的DNA編碼與解碼

單鏈DNA序列由四種堿基A(adenine)、C(cytosine)、G(guanine)、T(thymine)組成，其中A與T、C與G互補。用00、01、10、11分別對DNA序列中的四個堿基進行二進制編碼，由于二進制數字0與1互補，從而00與11互補，01與10互補。本文用A表示00，T表示11，C表示01，G表示10。通常8位灰度圖像的每一個像素灰度值可以由8位二進制數表示，而這8位二進制數又可編碼成長度為4的DNA序列。

反之，對DNA序列進行解碼時，用00表示A，11表示T，01表示C，10表示G，這樣一個DNA序列矩陣就可以解碼成二值序列，然后，將每8位矩陣元素組成一組進行十進制轉換，就可以還原成0～255之間的一個實數。

例如：原圖像的某一個像素灰度值是54，轉換成二進制數是[00110110]用上述DNA編碼映射準則進行編碼得到DNA序列[ATCG]；反之用A映射00，T映射11，C映射01，G映射10，對這個DNA序列進行解碼，即可得到二進制序列[00110110]。

2.DNA模板的產生

本發明根據原圖像的灰度值，計算初值x₀，然后利用Logistic混沌映射，在初值為x₀，系統參數為μ的條件下，產生長度為m×n×4×2的混沌序列。

(1)初值x₀