[發明專利]基于混沌系統與DNA鏈置換模型的圖像加密方法

在審

• 申請號: 201710559882.9
• 申請日: 2017-07-11
• 公開（公告）號: CN107437266A
• 公開（公告）日: 2017-12-05
• 發明（設計）人: 周昌軍;張澤君;魏子麒
• 申請（專利權）人: 大連大學
• 主分類號: G06T9/00
• 分類號: G06T9/00;H04L9/00;H04L9/08
• 代理公司: 大連八方知識產權代理有限公司21226
• 代理人: 衛茂才

技術領域

本發明涉及基于混沌系統與DNA鏈置換模型的圖像加密方法，屬于圖像加密技術領域。

背景技術

近年來，隨著互聯網的飛速發展，數字圖像也越來越頻繁的被人們使用。不管是社交活動還是網絡新聞媒體，醫療機構或者政府機構，數字圖像作為一種信息載體因其簡潔明了，表達形象且直觀而被人們廣泛使用。然而，由于網絡的開放性和信息的共享性以及黑客技術的不斷發展，網絡傳輸中的圖像很有可能被不法分子所截獲影響個人或組織的商業利益和隱私，為此人們采取了一系列措施保證圖像傳輸的安全性，其中圖像加密是一種最有效的方式。圖像信息因其冗余性以及數據是二維的等特點，傳統的文本加密方法如DES,AES,IDEA等已經不適用于對圖像的加密。因此基于現代密碼體制的圖像加密技術、基于矩陣變換的圖像加密技術、基于混沌的圖像加密技術、基于秘密分存的圖像加密技術和基于頻域的圖像加密技術相繼出現。但是，隨著計算機硬件能力的快速提升和各種新型計算機研究的不斷發展，這些方法的安全性面臨嚴峻的挑戰。

1963年，美國氣象學家洛倫茲提出混沌理論(chaos)，非線性系統具有的多樣性和多尺度性。混沌理論解釋決定系統可能產生隨機結果。在混沌理論中，初始條件十分微小的變化，經過不斷放大，對其未來狀態可以造成極其巨大的差別。因此，混沌系統天然地就與密碼學產生了聯系。

發明內容

為了實現上述目的，本發明提供了基于混沌系統與DNA鏈置換模型的圖像加密方法。本文中使用混沌系統產生3條混沌序列對圖像進行加密。

DNA鏈置換是DNA計算中最新發展起來的技術。2011年，Science和Nature報道了加州理工學院計算機系Winfree教授研究組利用DNA鏈置換技術實現簡單的開平方運算。在鏈置換反應模型中，可將信息編譯后隱藏在單鏈DNA中。每種短的DNA單鏈(20-80nt)即表示一種邏輯信號，只需要變更DNA單鏈的序列和長度即可表示另一種信息，很容易實現信息的編譯。可以考慮將這種模型的基本思想引入到圖像加密中，產生良好的加密效果。

本文將DNA鏈置換模型引入到圖像的加密過程中。鏈置換型的機理為：利用分子雜交自由能趨向于穩定的特點，通過改變輸入信號分子的長度和序列，控制或誘發下游鏈置換反應。具體操作步驟如下所述。

1.兩條部分互補的DNA鏈結合在一起(鏈A長度大于鏈B)；

2.在室溫下，待加入鏈C(其序列完全與鏈A互補)，特異性識別區域先結合A的單鏈部分；

3.C鏈逐漸占領A鏈與B鏈的結合位點，A鏈與B鏈逐漸分離，逐漸達到最穩態；

4.最后，C鏈與A鏈完全結合，B鏈與A鏈完全分離。

本發明的目的在于提出一種基于混沌系統和DNA鏈置換模型的圖像加密方法，用鏈置換模型提取密鑰來置亂圖像的像素位置，使得加密效果良好，從而能夠抵抗入侵者的攻擊。

本發明的技術方案包括如下步驟：

S1、得到輸入圖像的像素矩陣，并用DNA編碼規則進行編碼；

S2、利用Lorenz混沌映射產生混沌序列(x,y,z)：給定任意的初始值x₀,y₀,z₀，計算S1中得到的序列矩陣的漢明距離、漢明逆距離和漢明補距離，并將其值化為0-1，與x₀,y₀,z₀依次相加后得到新的初始值x₁,y₁,z₁；然后結合系統參數產生三條混沌序列；

S3、用混沌序列(x,y)置亂圖像的像素位置：對混沌序列(x,y)向下取整，用新得到的序列置亂圖像的像素位置；

S4、用DNA鏈置換操作得到一串密鑰，利用密鑰和異或運算改變像素值；

所述步驟S4的過程如下：

首先，將步驟S3得到的像素矩陣分塊，每一小塊的大小為2*4；

然后，對密鑰塊應用鏈置換反應，置換出四條短的DNA序列作為加密密鑰；利用得到的密鑰對對應矩陣塊依次進行加密，對應關系由混沌序列(x,z)決定：將密鑰塊中的4條DNA鏈與被加密的矩陣塊中的部分DNA序列進行異或運算，對應的替換掉矩陣塊中的每條DNA序列的一部分，達到加密的效果；最后，將矩陣合并完成這一步驟的加密。

S5、用混沌序列和異或運算對步驟S4得到的序列矩陣的值進行擴散操作；

S6、對S5得到的序列矩陣進行DNA解碼即可得到加密圖像。

本發明與現有技術相比具有以下優點：