[發(fā)明專利]一種融合多混沌映射和DNA編碼的圖像加密方法及裝置

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710902620.8
• 申請(qǐng)日: 2017-09-29
• 公開（公告）號(hào): CN107610037A
• 公開（公告）日: 2018-01-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 韋鵬程;冉維;段昂
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 重慶第二師范學(xué)院
• 主分類號(hào): G06T1/00
• 分類號(hào): G06T1/00;H04L9/00
• 代理公司: 北京格允知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11609
• 代理人: 周嬌嬌,譚輝

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及圖像加密技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及融合多混沌映射和DNA編碼的圖像加密方法及裝置，以及相應(yīng)的解密方法及裝置。

背景技術(shù)

圖像加密是防止圖像被截獲篡改的有效方法。混沌是非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中的一種確定性的類隨機(jī)過(guò)程，與密碼學(xué)之間有著結(jié)構(gòu)上的相似性，非常適合用于圖像加密?，F(xiàn)有技術(shù)中采用圖像置亂與擴(kuò)散相結(jié)合,利用邏輯(Logistic)、Kent產(chǎn)生控制參數(shù)，提出了一種多混沌圖像加密算法。另外還提出了一種基于Logistic混沌系統(tǒng)的快速數(shù)字圖像加密算法，該法簡(jiǎn)單易行，加密與恢復(fù)效果良好。還有研究者將邏輯(Logistic)混沌序列與切比雪夫(Chebyshev)混沌序列相結(jié)合,提出了一種基于復(fù)合混沌系統(tǒng)的改進(jìn)的高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)加密算法。這些基于混沌的圖像加密算法一般使用低維混沌映射作為加密的工具，雖然加密結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便捷，但由于低維混沌系統(tǒng)參數(shù)和初始值個(gè)數(shù)少，密鑰空間較小，算法的安全性較低。

隨著DNA計(jì)算和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，圍繞DNA計(jì)算的圖像加密研究也逐漸展開。例如現(xiàn)有技術(shù)中使用置亂和擴(kuò)散技術(shù)結(jié)合DNA互補(bǔ)規(guī)則和和混沌映射，提出了一種新的圖像加密算法。另有運(yùn)用DNA計(jì)算模型中的DNA剪切、轉(zhuǎn)換等操作對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行加密處理。還有研究者在離散小波域中基于DNA水印技術(shù)對(duì)DNA編碼序列進(jìn)行劃分，利用加密控制信息和分組方案對(duì)編碼序列進(jìn)行替換，完成圖像加密?；蛘呃肈NA技術(shù)將目標(biāo)圖像編碼成DNA序列和超圖像格式，在DNA序列下完成替換，在超圖像格式下完成擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)圖像的加密。

雖然基于DNA技術(shù)的加密算法有很多無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，但單一使用DNA技術(shù)加密無(wú)法保證加密算法的安全性，將混沌理論與DNA技術(shù)相結(jié)合已成為DNA加密技術(shù)的研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)有技術(shù)中融合二維混沌映射、DNA編碼和細(xì)胞自動(dòng)機(jī)模型，提出了一種新的圖像編碼算法。另有采用混沌映射索引和DNA互補(bǔ)編碼相結(jié)合的方法，提出了一種安全可靠的圖像加密技術(shù)。或者，以混沌序列為映射隨機(jī)編碼圖像信息，提出了一種新的真彩圖加密算法。也有文獻(xiàn)提出了一個(gè)基于DNA、哈希算法SHA-2和Lorenz系統(tǒng)的圖像編碼算法。但當(dāng)前基于DNA編碼技術(shù)與混沌理論的圖像加密算法對(duì)明文攻擊有較低的防御性，存在對(duì)明文和密鑰低敏感性的不足，同時(shí)圖像相鄰像素存在相關(guān)性，在加密算法中單一置換無(wú)法有效抵御統(tǒng)計(jì)攻擊。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷中的一個(gè)或多個(gè)，提供一種融合多混沌映射和DNA編碼的圖像加密方法及裝置，以及相應(yīng)的解密方法及裝置。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明第一方面，提供了一種融合多混沌映射和DNA編碼的圖像加密方法，包括以下步驟：

圖像置亂步驟、將目標(biāo)圖像轉(zhuǎn)化成RGB三個(gè)顏色分量矩陣，并使用Arnold變換矩陣對(duì)三個(gè)顏色分量矩陣分別進(jìn)行置亂；

矩陣替換步驟、對(duì)置亂后的三個(gè)顏色分量矩陣分別采用不同DNA編碼方案進(jìn)行編碼，將混沌映射產(chǎn)生的混沌序列進(jìn)行DNA編碼，并與DNA編碼后的三個(gè)顏色分量矩陣疊加，得到替換后的顏色分量矩陣；

密文重構(gòu)步驟、將替換后的顏色分量矩陣進(jìn)行DNA解鎖后合并得到中間密文，對(duì)中間密文求得和值，將所述和值與中間密文以按位異或形式進(jìn)行擴(kuò)散，得到目標(biāo)圖像的密文。

在本發(fā)明所述的融合多混沌映射和DNA編碼的圖像加密方法中，優(yōu)選地，所述圖像置亂步驟包括：

(1)將大小為M×N的目標(biāo)圖像分解成表示R、G、B位平面的三個(gè)大小為M×N的二維顏色分量矩陣，通過(guò)補(bǔ)零方式將這三個(gè)顏色分量矩陣分別組成大小為N₁×N₁的矩陣，其中，M為每行的像素?cái)?shù)，N為每列的像素?cái)?shù)，N₁為max(M,N)；

(2)使用Arnold變換矩陣對(duì)三個(gè)大小為N₁×N₁的矩陣分別進(jìn)行置亂，并將置亂后的三個(gè)矩陣分別轉(zhuǎn)化成大小為N₁×8N₁的二進(jìn)制矩陣。

在本發(fā)明所述的融合多混沌映射和DNA編碼的圖像加密方法中，優(yōu)選地，所述矩陣替換步驟包括：

(1)分別采用不同編碼方案對(duì)表示R、G、B位平面的三個(gè)二進(jìn)制矩陣進(jìn)行DNA編碼，得到大小為N₁×4N₁的編碼后的三個(gè)顏色分量矩陣R₁、G₁、B₁；

(2)通過(guò)混沌映射產(chǎn)生混沌序列，并對(duì)混沌序列整數(shù)化處理，再進(jìn)行DNA編碼；