[發明專利]一種基于DNA編碼的多通道彩色圖像混沌加密方法

有效

• 申請號: 201910075280.5
• 申請日: 2019-01-25
• 公開（公告）號: CN109918923B
• 公開（公告）日: 2023-08-25
• 發明（設計）人: 康守強;吳晨晨;王玉靜;謝金寶;王慶巖;梁欣濤
• 申請（專利權）人: 哈爾濱理工大學
• 主分類號: G06F21/60
• 分類號: G06F21/60;G06T9/00
• 代理公司: 黑龍江立超同創知識產權代理有限責任公司 23217
• 代理人: 楊立超

一種基于DNA編碼的多通道彩色圖像混沌加密方法，涉及數字圖像加密領域，針對現有圖像混沌加密方案存在不足以及高維連續時間混沌系統離散過程算法復雜，以致加密圖像安全性低、獲取離散混沌序列耗時的問題而提出的。利用六維離散超混沌系統產生六組混沌序列，由哈希函數SHA?256產生系統迭代初始值；提取彩色圖像的RGB分量，對各分量作DNA編碼分別得到DNA矩陣并合并，構建重組DNA矩陣，同時執行行列置亂操作；然后，將置亂DNA矩陣拆分成三個大小相同的矩陣，分別與DNA編碼后的三個混沌密鑰矩陣作DNA計算，再對得到的矩陣執行DNA解碼操作；對解碼矩陣執行擴散加密操作，加密輪數由SHA?256決定。加密效果好，安全性高。

技術領域

本發明涉及一種多通道彩色圖像混沌加密方法，涉及數字圖像加密技術領域。

背景技術

信息安全是當今通信領域中的一個重要問題。隨著大數據時代的到來以及信息存儲和傳輸能力的顯著提高，多媒體數據越來越多地通過互聯網傳輸。數字圖像作為多媒體技術發展的產物，具有大數據量、高冗余性和相鄰像素間的強相關性等特點。如何保證數字圖像安全，防止非法使用和獲取，是目前亟待解決的問題^[1]。

傳統加密算法(DES、AES、RAS)不能滿足數字圖像加密的實時性和安全性的雙重要求^[2-3]?；煦缦到y所具有的對初始條件和控制參數的敏感性、偽隨機特性和狀態遍歷性，能很好地滿足圖像加密系統的要求，因而越來越多的學者從事混沌加密領域的研究?；煦缦到y分為兩類：低維混沌(一維或二維)和高維混沌^[4-5]。雖然低維混沌系統拓撲結構簡單、易于實現，但其有很多缺陷，例如密鑰空間小、安全性差^[6-7]。文獻[6]提出的基于一維混沌系統的加密算法分為5個步驟：隨機像素插入、行分離、一維替換、行組合和圖像旋轉。該方案的圖像旋轉僅對密碼圖像擴散起作用，對圖像置亂影響并不明顯。由于自身的復雜結構和眾多參數，高維混沌或超混沌系統可以增強加密系統的安全性^[8]。近年來，許多基于混沌系統的圖像加密算法被先后提出^[9-11]。

脫氧核糖核酸，英文簡稱為DNA，是一種由四種類型核酸堿基組成的分子。DNA編碼技術是計算機科學和分子生物相結合而發展起來的新型研究領域^[12]。由于DNA序列有不同組合方式且兼具高并行性、存儲信息能力強和超低功耗的優良特性，DNA編碼技術近年來被逐漸應用于圖像加密領域^[13]。Zhang等提出了一種沒有像素位置置亂的基于DNA加法的加密算法，在執行DNA加法運算時，對輸入圖像作分塊處理，提高了擴散像素效果，但在抵御噪聲攻擊的魯棒性方面并不理想^[14]。Liu等提出一種針對RGB彩色圖像的加密算法，每通道均執行DNA計算和像素置亂，能增強像素擴散的效果，適合并行運算，但得到的加密圖像相鄰像素間相關性較高^[15]。Kulsoom等提出一種提取圖像每個像素的最高比特位和最低比特位，并對這些比特位執行DNA計算的加密算法，可提高加密速度，但針對像素的部分比特位操作，絕大多數的比特位保持不變，致使抗噪聲攻擊的效果不太理想^[16]。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：

針對現有圖像混沌加密方案在置亂階段僅依賴混沌序列擾亂像素位置的單一性，擴散階段加密的單向性以及高維連續時間混沌系統離散過程算法復雜，以致加密圖像安全性低、獲取離散混沌序列耗時的問題，提出一種基于DNA編碼的多通道彩色圖像混沌加密方法。

本發明為解決上述技術問題采取的技術方案是：

一種基于DNA編碼的多通道彩色圖像混沌加密方法，所述方法的實現過程為：

首先利用六維離散超混沌系統產生六組混沌序列，由哈希函數(散列函數)SHA-256產生所述系統迭代初始值；通過混沌序列確定DNA編碼規則、DNA計算規則；通過所述哈希函數SHA-256確定加密輪數；