[發明專利]一種基于DNA序列和憶阻混沌的圖像加密方法

有效

• 申請號: 202110371756.7
• 申請日: 2021-04-07
• 公開（公告）號: CN113129196B
• 公開（公告）日: 2022-10-14
• 發明（設計）人: 陳云;蔣徐昂;林茜;李強;魏玉人
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍海軍工程大學
• 主分類號: G06T1/00
• 分類號: G06T1/00;G06T5/40;G16B30/00;G06F21/60
• 代理公司: 武漢天領眾智專利代理事務所(普通合伙) 42300
• 代理人: 陳三九

本發明提出了一種基于DNA序列和憶阻混沌的圖像加密方法，對現有單一的DNA置亂方式進行改進，先將圖像像素矩陣與憶阻混沌系統產生的混沌矩陣進行異或運算生成擴散矩陣，再以偽隨機序列作為參數對DNA編碼進行動態抽取生成編碼規則，然后進行DNA加法置亂，實現加密，并通過加密性能指標分析，結果證明本算法加密性能良好。

技術領域

本發明涉及一種基于DNA序列和憶阻混沌的圖像加密方法。

背景技術

隨著信息時代的到來，互聯網技術和移動通信技術的飛速發展，智能手機 等智能終端由于其便攜性、實用性而迅速得到普及應用，極大地便利了人們的 生活。在這一形勢下，數字圖像由于其直觀性、信息承載量大等特性，已成為 人們進行信息交流的主要媒介。但由于網絡的開放性，數字圖像在傳輸過程中 面臨被篡改和被竊取的風險，人們的隱私安全面臨巨大的挑戰。為保證數字圖 像信息安全，保護人們的個人隱私，迫切需要對數字圖像進行加密。然而由于 圖像信息的特殊性，現有適用于文本加密的算法并不適合圖像信息的加密，其 加解密速度、實時性、圖像加密前后的格式要求和保真度都難以滿足圖像加密的要求。

混沌由于其初值敏感性、分維性、非周期性等特征，非常適用于圖像加密。 近年來，作為一種獨特的圖像加密技術，混沌圖像加密已經成為圖像加密領域 的一個研究熱點，目前出現了許多基于混沌的圖像加密算法。但在這些成果中， 采用的混沌系統大多是離散混沌系統和一般的低維混沌系統，存在混沌系統方 程簡單、作為密鑰的初始值和參數數量較少等問題，從而造成密鑰空間不大， 進而導致加密效果不佳。

1971年，蔡少棠提出了傳統的電阻、電容、電感三大電子元器件之外的第 四種元器件——憶阻器的概念，工程界隨后制造出了實物憶阻元器件。這種全 稱為記憶電阻的新型元件，因為其對初值的敏感性極強，很快被應用在混沌電 路的研究中，并產生了許多憶阻混沌系統。由于憶阻的記憶功能和系統的復雜 性，憶阻混沌系統往往比其它混沌系統具有更強的似噪聲特性和更為復雜的動 力學特征，應用于圖像加密時具有更強的保密性，因此憶阻混沌在圖像加密中 的應用引起了一些學者的關注。但總的來說，憶阻混沌圖像加密研究仍然處于 起步階段，研究成果不多且不成熟不完善。

目前在混沌圖像加密的研究成果中，用于產生混沌偽隨機系列的混沌系統 大多采用離散混沌系統和低維混沌系統，應用憶阻混沌系統這一新興混沌系統 來研究混沌圖像加密的文獻相對較少，主要研究成果如下：文獻《憶阻混沌電 路在圖像加密中的應用》(中國地質大學，2016)提出了一種基于荷控憶阻混沌 系統的圖像加密的算法，該算法以憶阻混沌系統的參數和狀態變量初始值作為 密鑰，通過取一定步長對憶阻混沌系統進行采樣來得到離散的混沌偽隨機序列， 然后對混沌偽隨機序列進行編碼后，與像素矩陣進行異或運算，從而實現了圖 像加密。施浩楠等人《基于Python的彩色圖像憶阻系統多穩態加密》(復雜系統 與復雜性科學，2018)將一個四維磁控憶阻混沌系統應用于圖像加密，通過將憶阻混沌系統的狀態變量初始值當作密鑰，經過迭代并離散采樣得到四組混沌 偽隨機系列，然后取其中三組混沌偽隨機系列，分別與圖像RGB三個分量的像 素矩陣異或運算，最終實現圖像加密。程云龍《基于憶阻超混沌系統的醫學圖 像加密算法的設計及實現》(河南大學，2016)提出了一種結合憶阻超混沌系統 的圖像加密算法，該算法通過在經典的蔡氏電路基礎上構建的四維憶阻超混沌 系統來產生離散的混沌偽隨機系列，然后經過兩次以不同混沌偽隨機序列為參 數置亂，并進行單次擴散后，實現了混沌圖像加密。該算法充分應用了憶阻混 沌系統的偽隨機性，加密效果較好。閔富紅等人《新型憶阻器混沌電路及其在圖像加密中的應用》(電子與信息學報，2016)將一種新型憶阻混沌電路產生的 憶阻混沌應用于圖像加密，首先采用憶阻模型設定簡單的雙曲正弦非線性曲線， 對待加密的圖像實施異或操作進行預處理，然后交換混沌序列與像素值，最終 實現圖像加密。楊康《基于混沌系統的圖像加密算法的設計與實現》(河南大學， 2017)結合細胞自動機、憶阻混沌系統和DNA技術，提出了一種圖像加密算法。 該算法的優點是能夠對密鑰進行動態選取，增強了該算法的安全性。