CN107086913A - 一种高维混沌系统下的彩色二维码加解密方法 - Google Patents

一种高维混沌系统下的彩色二维码加解密方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高维混沌系统下的彩色二维码加解密方法。该方法定义了高维混沌系统下DNA序列和SHA‑256算法的使用方法并将其应用到了彩色二维码的加解密中。加密方法涉及密钥和初始值生成；利用DNA编码；彩码密钥矩阵异或操作；彩码矩阵数值置换；利用DNA解码；合成加密彩色二维码等步骤。解密方法是对加密方法的逆操作。从模拟实验中可以看出，本发明方法具有较好的伪随机性、防伪造性和抗攻击性。

Description

一种高维混沌系统下的彩色二维码加解密方法
技术领域
本发明属于计算机图像处理与信息安全技术应用领域，特别是涉及一种高维混沌系统下的彩色二维码加解密方法。
背景技术
彩色二维码作为数字媒体在网络应用中是较为常用的一种形式，兼具美观实用、存储信息量大和容错能力强的优点，但缺点是易被伪造、易携带病毒钓鱼信息、抗攻击能力弱。由于目前的经典加密方法已不适应彩色二维码的加解密需求，所以彩色二维码加解密方法研究成为学术界的研究热点。
Adleman提出DNA分子编码与计算方法至今，DNA编码与计算方法已广泛应用于图像加密、身份验证、数字签名等相关领域中。其中基于DNA计算的新型加密方法，在密钥传递和分发方面面临较大困难。为了提高图像加密效率，某些学者提出基于混沌系统的图像加密方法，通过将DNA技术和混沌系统结合，首先，提出了基于低维混沌系统和多混沌系统的图像加密算法，其次，提出基于DNA序列加法运算和混沌序列的图像加密算法，最后，提出基于DNA序列并结合混沌映射的 RGB图像加密算法。由于上述方法均基于低维混沌映射，导致加密图像的抗攻击能力较弱。为了解决上述问题，有学者提出了采用SHA-256 生成一维混沌系统初始值并利用布朗运动多次迭代置乱实现图像加密的方法，但该方法的时间复杂度随像素值的置乱和扩散迭代次数大幅提升。然后又提出了基于Lorenz系统的图像隐写加密方法，但该方法在加密图像的恢复质量方面不够理想。将彩色二维码分层处理，通过增加每种颜色的通道和数据容量来提高彩色二维码的安全性，这种方法由于处理方式单一会导致加密效率不够理想。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种融合Lorenz混沌系统、DNA序列和SHA-256散列算法的高维混沌系统下的彩色二维码加解密方法。
为了达到上述目的，本发明提供的高维混沌下彩色二维码加解密方法包括按顺序进行的下列步骤：
步骤1：使用SHA-256散列算法处理彩色二维码，生成加密密钥K 和Lorenz混沌系统的初始值；
步骤2：设定多种DNA序列编解码规则；
步骤3：将上述彩色二维码分解成R,G,B三个矩阵，然后将每个矩阵分别变换为二进制彩码矩阵R(m,n×8)，G(m,n×8)，B(m,n×8)，之后从上述多种DNA序列编解码规则中选择一种规则并分别编码上述三个二进制彩码矩阵，得到三个DNA序列彩码矩阵Pr(m,n×4)，Pg(m,n ×4)，Pb(m,n×4)；
步骤4：将上述加密密钥K转换为二进制加密密钥序列Kb，然后重复t次二进制加密密钥序列Kb(t＝(m×n×8)/32)而生成二进制加密密钥矩阵Mk(m,n×8)；之后使用与上述步骤3中相同的编码规则编码二进制加密密钥矩阵Mk，得到DNA序列加密密钥矩阵Mke；
步骤5：根据DNA异或运算规则将上述三个DNA序列彩码矩阵Pr， Pg，Pb和DNA序列加密密钥矩阵Mke分别进行异或运算而得到三个第一二进制中间矩阵Pr’，Pg’，Pb’；
步骤6：利用Lorenz系统和k1-k11、k12-k22、k23-k32三部分的加密密钥X，Y，Z生成的Lorenz系统初始值x0，y0，z0形成三个长度分别是(m×n×4)的混沌实数序列xn，yn，zn；
步骤7：根据上述混沌实数序列xn，yn，zn采用混沌序列的索引函数计算得到索引值lx，ly，lz；
步骤8：将上述步骤5)得到的第一二进制中间矩阵Pr’，Pg’，Pb’分别转化为向量Vr(m×n×4)，Vg(m×n×4)，Vb(m×n×4)，然后结合步骤7中得到的索引值lx，ly，lz将向量Vr，Vg，Vb置乱而得到三个第二二进制中间矩阵Vr’，Vg’，Vb’；
步骤9：将上述三个第二二进制中间矩阵Vr’,Vg’,Vb’分别转化为三个第三二进制中间矩阵Re(m×n×4)，Ge(m×n×4)，Be(m×n×4)，然后从上述多种DNA序列编解码规则中选择一种规则解码第三二进制中间矩阵Re，Ge，Be，得到三个第四二进制中间矩阵Rb，Gb，Bb；
步骤10：将上述三个第四二进制中间矩阵Rb，Gb，Bb合并还原得到加密的彩色二维码；
步骤11：解密时按照上述步骤10至步骤1进行逆操作，最后得到还原后的彩色二维码。
在步骤1中，所述的使用SHA-256散列算法处理彩色二维码，生成加密密钥K和Lorenz混沌系统的初始值的方法是：
使用SHA-256散列算法处理彩色二维码而生成彩色二维码的256 位散列值，将该散列值定义为加密密钥K；
将加密密钥K分成32块，ki表示第i块，每块8位，加密密钥K 由式(1)表示为：
K＝k1,k2,k3,...,k32 (1)
分别将上述已分成32块的加密密钥K按顺序分成三部分，分别是 k1-k11、k12-k22、k23-k32，相应的加密密钥为X,Y,Z，然后利用这三部分的加密密钥X，Y，Z计算Lorenz混沌系统的初始值(x0，y0，z0)：
在步骤2中，所述的多种DNA序列编解码规则如下面表1所示；
表1 DNA序列编解码规则
在步骤5中，所述的进行异或运算所采用的公式为：
在步骤7中，所述的混沌序列的索引函数如式(5)所示：
(@,@)＝sort(@)表示混沌序列的索引函数，fx，fy，fz分别是x， y，z的新序列，lx，ly，lz分别表示fx，fy，fz的索引值。
在步骤8中，所述的置乱时所采用的公式为：
本发明提供的高维混沌系统下的彩色二维码加解密方法，定义了高维混沌系统下DNA序列和SHA-256算法的使用方法并将其应用到了彩色二维码的加解密中。加密方法涉及密钥和初始值生成；利用DNA 编码；彩码密钥矩阵异或操作；彩码矩阵数值置换；利用DNA解码；合成加密彩色二维码等步骤。解密方法是对加密方法的逆操作。从模拟实验中可以看出，本发明方法具有较好的伪随机性、防伪造性和抗攻击性。
附图说明
图1为本发明提供的高维混沌系统下的彩色二维码加解密方法中加密过程流程图；
图2为本发明提供的高维混沌系统下的彩色二维码加解密方法中解密过程流程图；
图3为彩色二维码加解密效果图；
图4为不同密钥加密的彩色二维码图；
图5为两组加密前后彩色二维码图像像素三色直方图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明提供的高维混沌系统下的彩色二维码加解密方法进行详细说明。
如图1、图2所示，本发明提供的高维混沌系统下的彩色二维码加解密方法包括按顺序进行的下列步骤：
步骤1：使用SHA-256散列算法处理彩色二维码，生成加密密钥K 和Lorenz混沌系统的初始值；
使用SHA-256散列算法处理彩色二维码而生成彩色二维码的256 位散列值，将该散列值定义为加密密钥K，用于对彩色二维码加密，以提高彩色二维码的安全性。
将加密密钥K分成32块，ki表示第i块，每块8位，加密密钥K 由式(1)表示为：
K＝k1,k2,k3,...,k32 (1)
Lorenz混沌系统属于三维混沌系统，具有初值敏感的特性，因此分别将上述已分成32块的加密密钥K按顺序分成三部分，分别是 k1-k11、k12-k22、k23-k32，相应的加密密钥为X,Y,Z，然后利用这三部分的加密密钥X，Y，Z计算Lorenz混沌系统的初始值(x0，y0，z0)：
步骤2：设定多种DNA序列编解码规则，本发明使用表1所示的8 种DNA序列编解码规则；
表1 DNA序列编解码规则
步骤3：将上述彩色二维码分解成R,G,B三个矩阵，然后将每个矩阵分别变换为二进制彩码矩阵R(m,n×8)，G(m,n×8)，B(m,n×8)，之后从上述多种DNA序列编解码规则中选择一种规则并分别编码上述三个二进制彩码矩阵，得到三个DNA序列彩码矩阵Pr(m,n×4)，Pg(m,n×4)，Pb(m,n×4)；
步骤4：将上述加密密钥K转换为二进制加密密钥序列Kb，然后重复t次二进制加密密钥序列Kb(t＝(m×n×8)/32)而生成二进制加密密钥矩阵Mk(m,n×8)；之后使用与上述步骤3中相同的编码规则编码二进制加密密钥矩阵Mk，得到DNA序列加密密钥矩阵Mke；
步骤5：根据DNA异或运算规则将上述三个DNA序列彩码矩阵Pr， Pg，Pb和DNA序列加密密钥矩阵Mke按公式(3)分别进行异或运算而得到三个第一二进制中间矩阵Pr’，Pg’，Pb’；
步骤6：利用Lorenz系统和k1-k11、k12-k22、k23-k32三部分的加密密钥X，Y，Z生成的Lorenz系统初始值x0，y0，z0形成三个长度分别是(m×n×4)的混沌实数序列xn，yn，zn；
步骤7：根据上述混沌实数序列xn，yn，zn采用公式(4)所示的混沌序列的索引函数计算得到索引值lx，ly，lz：
(@,@)＝sort(@)表示混沌序列的索引函数，fx，fy，fz分别是x， y，z的新序列，lx，ly，lz分别表示fx，fy，fz的索引值；
步骤8：将上述步骤5)得到的第一二进制中间矩阵Pr’，Pg’，Pb’分别转化为向量Vr(m×n×4)，Vg(m×n×4)，Vb(m×n×4)，然后结合步骤7中得到的索引值lx，ly，lz将向量Vr，Vg，Vb按公式(5)置乱而得到三个第二二进制中间矩阵Vr’，Vg’，Vb’：
步骤9：将上述三个第二二进制中间矩阵Vr’,Vg’,Vb’分别转化为三个第三二进制中间矩阵Re(m×n×4)，Ge(m×n×4)，Be(m×n×4)，然后从上述多种DNA序列编解码规则中选择一种规则解码第三二进制中间矩阵Re，Ge，Be，得到三个第四二进制中间矩阵Rb，Gb，Bb；
步骤10：将上述三个第四二进制中间矩阵Rb，Gb，Bb合并还原得到加密的彩色二维码；
步骤11：解密时按照上述步骤10至步骤1进行逆操作，最后得到还原后的彩色二维码。
本发明人从Lorenz系统初始数值精度和加密密钥空间两个方面对本发明提供的高维混沌系统下的彩色二维码加解密方法的安全性进行了分析。
Lorenz系统的初始值为x0，y0，z0三个数值，若精度为1014，密钥空间大小将达到1042。最理想的情况下SHA-256散列算法抵抗攻击的能力为Ssha-256＝2128，可得到总的密钥空间为S＝2128×1042≈3.4 ×1080，由此可见密钥空间足够大，足以抵抗穷举攻击。因此，本发明方法的密钥空间较大，安全性较高。
图3至图5分别为本发明方法的仿真模拟，该仿真环境下的重点是对本发明方法加解密效果、密钥灵敏度、抗攻击能力进行实验说明。
图3为彩色二维码加解密图；从图3的实验结果可以看出，本发明方法具有较好的加解密效果，能够满足对彩色二维码应用的保密性需求。
图4为不同密钥加密的彩色二维码图；从图4的实验结果可以看出，正确密钥能够实现对彩色二维码精准解密，而存在微小偏差的错误密钥解密的彩色二维码与原彩色二维码相差较大，表明本发明方法对密钥具有较高的灵敏度，从而具备较高的防伪性。
图5为两组加密前后彩色二维码图像像素三色直方图；图5(a) 为第一组，图5(b)为第二组，每组中八张图分别代表彩色二维码、彩色二维码红色像素直方图、彩色二维码绿色像素直方图、彩色二维码蓝色像素直方图和加密彩色二维码、加密彩色二维码红色像素直方图、加密彩色二维码绿色像素直方图，加密彩色二维码蓝色像素直方图。从图5的仿真实验结果可以看出，加密后的两组彩色二维码的图像像素三色直方图分布都比较均匀，说明加密彩色二维码较好地隐藏了统计信息，具有一定的抗差分攻击的能力。

Claims (6)

1.一种高维混沌系统下的彩色二维码加解密方法，其特征在于：所述的高维混沌系统下的彩色二维码加解密方法包括按顺序进行的下列步骤：
步骤1：使用SHA-256散列算法处理彩色二维码，生成加密密钥K和Lorenz混沌系统的初始值；
步骤2：设定多种DNA序列编解码规则；
步骤3：将上述彩色二维码分解成R,G,B三个矩阵，然后将每个矩阵分别变换为二进制彩码矩阵R(m,n×8)，G(m,n×8)，B(m,n×8)，之后从上述多种DNA序列编解码规则中选择一种规则并分别编码上述三个二进制彩码矩阵，得到三个DNA序列彩码矩阵Pr(m,n×4)，Pg(m,n×4)，Pb(m,n×4)；
步骤4：将上述加密密钥K转换为二进制加密密钥序列Kb，然后重复t次二进制加密密钥序列Kb(t＝(m×n×8)/32)而生成二进制加密密钥矩阵Mk(m,n×8)；之后使用与上述步骤3中相同的编码规则编码二进制加密密钥矩阵Mk，得到DNA序列加密密钥矩阵Mke；
步骤5：根据DNA异或运算规则将上述三个DNA序列彩码矩阵Pr，Pg，Pb和DNA序列加密密钥矩阵Mke分别进行异或运算而得到三个第一二进制中间矩阵Pr’，Pg’，Pb’；
步骤6：利用Lorenz系统和k1-k11、k12-k22、k23-k32三部分的加密密钥X，Y，Z生成的Lorenz系统初始值x0，y0，z0形成三个长度分别是(m×n×4)的混沌实数序列xn，yn，zn；
步骤7：根据上述混沌实数序列xn，yn，zn采用混沌序列的索引函数计算得到索引值lx，ly，lz；
步骤8：将上述步骤5得到的第一二进制中间矩阵Pr’，Pg’，Pb’分别转化为向量Vr(m×n×4)，Vg(m×n×4)，Vb(m×n×4)，然后结合步骤7中得到的索引值lx，ly，lz将向量Vr，Vg，Vb置乱而得到三个第二二进制中间矩阵Vr’，Vg’，Vb’；
步骤9：将上述三个第二二进制中间矩阵Vr’,Vg’,Vb’分别转化为三个第三二进制中间矩阵Re(m×n×4)，Ge(m×n×4)，Be(m×n×4)，然后从上述多种DNA序列编解码规则中选择一种规则解码第三二进制中间矩阵Re，Ge，Be，得到三个第四二进制中间矩阵Rb，Gb，Bb；
步骤10：将上述三个第四二进制中间矩阵Rb，Gb，Bb合并还原得到加密的彩色二维码；
步骤11：解密时按照上述步骤10至步骤1进行逆操作，最后得到还原后的彩色二维码。
2.根据权利要求1所述的高维混沌系统下的彩色二维码加解密方法，其特征在于：在步骤1中，所述的使用SHA-256散列算法处理彩色二维码，生成加密密钥K和Lorenz混沌系统的初始值的方法是：
使用SHA-256散列算法处理彩色二维码而生成彩色二维码的256位散列值，将该散列值定义为加密密钥K；
将加密密钥K分成32块，ki表示第i块，每块8位，加密密钥K由式(1)表示为：
K＝k1,k2,k3,...,k32 (1)
分别将上述已分成32块的加密密钥K按顺序分成三部分，分别是k1-k11、k12-k22、k23-k32，相应的加密密钥为X,Y,Z，然后利用这三部分的加密密钥X，Y，Z计算Lorenz混沌系统的初始值(x0，y0，z0)：
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3.根据权利要求1所述的高维混沌系统下的彩色二维码加解密方法，其特征在于：在步骤2中，所述的多种DNA序列编解码规则如下面表1所示：
表1 DNA序列编解码规则
4.根据权利要求1所述的高维混沌系统下的彩色二维码加解密方法，其特征在于：在步骤5中，所述的进行异或运算所采用的公式为：
Pr'＝PrXORMke,
Pg'＝PgXORMke, (4)。
Pb'＝PbXORMke
5.根据权利要求1所述的高维混沌系统下的彩色二维码加解密方法，其特征在于：在步骤7中，所述的混沌序列的索引函数如式(5)所示：
(lx,fx)＝sort(x)
(ly,fy)＝sort(y) (5)
(lz,fz)＝sort(z)
(@,@)＝sort(@)表示混沌序列的索引函数，fx，fy，fz分别是x，y，z的新序列，lx，ly，lz分别表示fx，fy，fz的索引值。
6.根据权利要求1所述的高维混沌系统下的彩色二维码加解密方法，其特征在于：在步骤8中，所述的置乱时所采用的公式为：
Vr'(i)＝Vr(lx(i))
Vg'(i)＝Vg(ly(i)) (6)。
Vb'(i)＝Vb(lz(i))
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