[發(fā)明專利]基于比特置換與動(dòng)態(tài)DNA編碼的混沌圖像加密方法

有效

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• 申請日: 2017-03-16
• 公開（公告）號: CN106952213B
• 公開（公告）日: 2018-03-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張勛才;牛瑩;耿盛濤;張煥龍;王英聰;周正;王延峰;孫軍偉
• 申請（專利權(quán)）人: 鄭州輕工業(yè)學(xué)院
• 主分類號: G06T1/00
• 分類號: G06T1/00
• 代理公司: 鄭州優(yōu)盾知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司41125
• 代理人: 張紹琳,栗改

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及數(shù)字圖像加密的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于比特置換與動(dòng)態(tài)DNA編碼的混沌圖像加密方法。

背景技術(shù)

隨著多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字圖像處理已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了人類社會生活的各個(gè)方面，如：遙感、工業(yè)檢測、醫(yī)學(xué)、氣象、通信、偵查和智能機(jī)器人等。因此，圖像信息越來越得到重視。保護(hù)圖像數(shù)據(jù)的安全就顯得更加重要，尤其是在軍事、商業(yè)和醫(yī)療等特殊領(lǐng)域。圖像加密技術(shù)已成為一種有效保護(hù)所傳輸數(shù)字圖像的方法。圖像數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大，相關(guān)性強(qiáng)、冗余度高等特點(diǎn)，現(xiàn)有的經(jīng)典加密方法因其加密效率低，安全性不高等原因，已不能滿足圖像加密的需要。

作為一種復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，混沌系統(tǒng)具有初值敏感性、偽隨機(jī)性、非周期性等特點(diǎn)，與密碼學(xué)所要求的特性相吻合。將混沌序列作為隨機(jī)密鑰，可以達(dá)到與一次一密相同的加密效果，在理論上也是不可破的。因此，混沌加密技術(shù)在信息安全領(lǐng)域，尤其是圖像加密領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

目前，對于混沌序列的使用，大多數(shù)基于混沌系統(tǒng)的圖像加密算法的混淆與擴(kuò)散結(jié)構(gòu)受計(jì)算機(jī)字長的限制，會導(dǎo)致混沌的動(dòng)力學(xué)特性退化，特別是低維混沌系統(tǒng)，這嚴(yán)重影響了混沌加密的安全性。為此，許多學(xué)者使用超混沌系統(tǒng)來確保混沌序列的復(fù)雜性，以提高算法的安全性。但是，不可否認(rèn)的是，單一的混沌映射構(gòu)成的加密算法無法保證所加密的圖像具有較高安全性。

DNA是生物體內(nèi)遺傳信息儲存的重要載體，在生物體遺傳代謝中發(fā)揮重要作用。由于其具有超大規(guī)模并行性、超高的存儲密度、超低的能耗以及獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)與分子間識別機(jī)制決定了其突出的信息存儲及信息處理能力。DNA分子在信息加密、隱藏、認(rèn)證等信息安全技術(shù)領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ瑸楝F(xiàn)代密碼學(xué)的發(fā)展提供了一個(gè)新途徑。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有基于混沌系統(tǒng)的圖像加密方法的混沌動(dòng)力學(xué)特性退化，影響混沌加密的安全性的問題，本發(fā)明借助于混沌映射對初始條件的敏感性與偽隨機(jī)性，結(jié)合DNA分子固有的空間構(gòu)型及獨(dú)特的信息處理能力等優(yōu)勢，提出一種基于比特置換與動(dòng)態(tài)DNA編碼的混沌圖像加密方法。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于比特置換與動(dòng)態(tài)DNA編碼的混沌圖像加密方法，其步驟如下：

步驟一：將灰度圖像I轉(zhuǎn)換成大小為M×N的二維的圖像矩陣I₁；其中，M和N分別為圖像矩陣I₁的行和列的維數(shù)；

步驟二：利用Keccak算法對DAN序列SQ進(jìn)行計(jì)算，得到一組散列值K，并生成混沌初始化參數(shù)；

步驟三：將超混沌Chen系統(tǒng)產(chǎn)生的索引序列B₁按照升序排列，得到置換索引序列X，將置換索引序列X按照每行M個(gè)值進(jìn)行填充可得到置換矩陣T，用置換矩陣T置亂圖像矩陣I₁中的像素位置，得到置亂后的圖像矩陣I₂；

步驟四：根據(jù)編碼規(guī)則將DNA序列SQ轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制序列SQB；對二進(jìn)制序列SQB中的位，按照每8位為一組進(jìn)行分組，每組作為一個(gè)控制字節(jié)，取前M*N組得到序列SQB'＝{sqb′₁,sqb′₂,sqb′₃,...,sqb′_M*N}；利用三級置亂的Butterfly置換網(wǎng)絡(luò)，選擇控制字節(jié)sqb′_(i-1)*N+j作為控制位對圖像矩陣I₂中的任一個(gè)像素I₂(i，j)進(jìn)行置換；通過對圖像矩陣I₂中的所有像素進(jìn)行三級置亂的Butterfly置換，得到新的圖像矩陣I₃；其中，i∈{1,2,…,M}，j∈{1,2,…,N}；

步驟五：將圖像矩陣I₃分為兩個(gè)子矩陣，根據(jù)子圖置亂與擴(kuò)散方法，通過超混沌Chen系統(tǒng)產(chǎn)生的序列B₂和序列B₃分別對兩個(gè)子矩陣進(jìn)行置亂與擴(kuò)散后，再恢復(fù)成一個(gè)矩陣，得到圖像矩陣I₄；

步驟六：在DNA序列SQ的S處截取4×M×N個(gè)堿基序列，采用動(dòng)態(tài)編碼技術(shù)選擇編碼規(guī)則，將圖像矩陣I₄轉(zhuǎn)換成長度為4×M×N的DNA序列DNA_S，并將序列DNA_S與DNA序列SQ做代數(shù)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)像素替代，得到的結(jié)果序列DNA_SD，利用編碼規(guī)則將結(jié)果序列DNA_SD還原成圖像矩陣，得到圖像矩陣I₅；