[發明專利]一種基于混沌序列和DNA編碼的圖像加密方法

有效

• 申請號: 202110584919.X
• 申請日: 2021-05-27
• 公開（公告）號: CN113225449B
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發明（設計）人: 張勛才;李寶珍;馬賀;牛瑩;張曲遙;楊飛飛;狄佳麗;張煥龍;王延峰;張建偉;王時達
• 申請（專利權）人: 鄭州輕工業大學
• 主分類號: H04N1/44
• 分類號: H04N1/44;H04L9/32;H04L9/00
• 代理公司: 鄭州優盾知識產權代理有限公司 41125
• 代理人: 栗改

本發明提出了一種基于混沌序列和DNA編碼的圖像加密方法，其步驟為：將灰度圖像轉換成的圖像矩陣計算哈希值并更新混沌系統的初始值；根據Bernoulli移位映射的控制參數和更新后的初始值生成序列作為Knuth?Durstenfeld洗牌法的隨機值進行置亂；對Lorenz混沌系統進行迭代得到3個序列；截取元素分別作為循環移位的位數進行比特級置亂；序列中元素用于DNA編碼規則選擇編碼為DNA序列；利用Mealy狀態機進行狀態轉換得到新的DNA序列；序列中元素用于DNA編碼規則選擇進行DNA解碼，得到密文圖像。本發明充分利用混沌的隨機性和DNA編碼與Mealy狀態轉換的非線性，有效消除圖像相鄰像素的相關性，提高了密文圖像的安全性。

技術領域

本發明涉及數字圖像加密的技術領域，尤其涉及一種基于混沌序列和DNA編碼的圖像加密方法。

背景技術

圖像作為網絡信息傳輸的載體之一，具有直觀性強和信息量大等特點，在互聯網通信中扮演著重要的角色。其中包含大量隱私和機密圖像，如個人醫學圖像、軍事圖像及國防機密圖等。各個領域中數字圖像的使用都面臨著嚴峻的安全威脅。圖像加密是保護圖像機密性的重要手段。為解決圖像信息在公共信道傳播過程中隱私內容泄漏問題，現階段存在許多成熟的分組加密方案，例如RSA、AES、國家密碼算法SM4等，這些加密方案已經被廣泛應用于文本加密并取得了良好的加密效果。由于數字圖像具備二維性、冗余性，且相鄰像素之間具有極高的相關性，因此傳統的文本加密方案并不完全適用于數字圖像。

混沌是一種復雜的非線性、非平衡的動力學過程，混沌系統因對初始條件和參數控制的敏感性、混沌軌道的偽隨機性、混沌態的不可預測性、遍歷性、混合性等特性逐漸被應用到圖像加密中。許多學者提出了基于Logistic映射的混沌加密算法和基于PWLCM(分段線性混沌)映射的混沌加密算法，該類混沌加密算法雖然具有結構簡單、產生的混沌序列短等優點，但是密鑰空間低，很容易受到外部因素破壞。因此，使用低維混沌系統實現的加密算法是不夠安全的，目前已經有很多攻擊方法破解了這類混沌加密方案。

近年來，人們發現脫氧核糖核酸(DNA)計算的大規模并行、海量存儲和超低功耗等特點應用于圖像加密可以有效的提高算法的效率和安全性。以DNA計算為代表的生物計算推動了數字圖像在加密方面的發展。利用混沌系統和DNA計算的優良特性，國內外學者提出了許多圖像加密方案，但是多數方案中DNA編碼規則對于圖像加密系統中的所有像素都是固定的，這樣不同的普通圖像可能具有相同的DNA編碼規則，其編碼規則和運算規則的單一性、有限性使得加密算法容易受到統計攻擊。

發明內容

針對現有一些圖像加密方法的抗統計分析能力差、加密系統安全性能不足的技術問題，本發明提出一種基于混沌序列和DNA編碼的圖像加密方法，通過兩次使用DNA的隨機編碼規則提高加密算法的復雜性，使圖像加密算法具備更高的偽隨機性。

為了達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的：一種基于混沌序列和DNA編碼的圖像加密方法，其步驟如下：

步驟一：將灰度圖像P轉換成大小為M*N的圖像矩陣P₁，計算圖像矩陣P₁的哈希值并更新Bernoulli移位映射和Lorenz混沌系統的初始值；

步驟二：將圖像矩陣P₁轉換成一維序列P₂，根據Bernoulli移位映射的控制參數和更新后的初始值生成長度M*N的序列LW，序列LW作為Knuth-Durstenfeld洗牌法的隨機值，利用Knuth-Durstenfeld洗牌法對一維序列P₂進行置亂，并恢復成矩陣形式，得到圖像矩陣P₃；

步驟三：利用更新后的初始值對Lorenz混沌系統進行迭代，得到3個長度為4*M*N的混沌序列LX、混沌序列LY和混沌序列LZ；

步驟四：從混沌序列LX中分別截取兩個序列，作為循環移位的位數對圖像矩陣P₃進行比特級置亂，得到圖像矩陣P₄；