CN107451948A - 基于混沌和dna动态平面运算的图像加、解密方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及本发明公开一种基于混沌和DNA动态平面运算的图像加、解密方法及系统，加密方法利用原始平面图像产生混沌系统所需的初始值；产生置乱阶段需要使用的位置信息，根据位置信息采用交叉置乱算法排列原始图像；将排列后的图像划分为四个相同大小的子图像，任意选择其中一个子图像，采用DNA匹配规则对其进行编码，动态分解为四个DNA平面；采用交叉置乱算法排列四个DNA平面，重新组合成子图像，并进行DNA解码获得新的子图像；采用新的子图像以异或操作混淆和扩散至其他三个子图像，得到三个新的子图像，将四个新的子图像重新组合得到加密图像。解密方法是加密方法的完全逆过程。本发明具有较强的抵御典型攻击的能力，具有良好的安全性能。
Description
技术领域
本发明属于图像加解密的技术领域，尤其涉及一种基于混沌和DNA动态平面运算的图像加、解密方法及系统。
背景技术
HTTPS也被称为HTTP over SSL，HTTP over TLS和HTTP Secure，用于Internet上的安全通信。HTTPS主要有两个步骤：密钥交换和数据加密。对称加密是最快速、最简单的一种加密方式。非对称加密为数据的加密与解密提供了一个非常安全的方法，与对称加密相比，在相同条件下，非对称加密花费更多的时间。因此，在实际应用中，由于密钥量比实际数据小，所以在密钥交换阶段使用非对称加密。然而，在数据加密阶段已经应用了对称加密，对称加密需要将密钥在网络传输，安全性不高。
近年来，混沌常常被用于设计图像加密算法。由于其对初始条件，伪随机性，遍历性和再现性的敏感依赖性，与加密需要的特征非常相似，从而混沌被广泛应用于图像加密领域。虽然目前混沌系统与加密技术相结合是现如今最热门的一个课题，有大量的加密算法面世，但是这些加密算法并不成熟，仍然需要进一步的研究。
DNA编码与解码是一种处理信息的生物学方法。随着计算技术的飞速发展，产生了海量数据，数据变得庞大而复杂。我们知道，在生物学中细胞由大量的信息组成。单个信息单元图像可以被看作是细胞的独特对应物，例如，一种DNA碱基序列。使用处理DNA碱基序列的相同方法来处理图像中编码像素是处理信息的一种有效方式。
综上所述，在现有技术中如何结合混沌系统与DNA编解码提高抵御攻击的能力、提高加解密过程的安全性能的问题，尚缺乏有效的解决方案。
发明内容
本发明为了解决上述问题，在混沌和DNA平面运算的基础上，提供一种基于混沌和DNA动态平面运算的图像加、解密方法及系统。本发明的图像加、解密方法具有较强的抵御典型攻击的能力，具有良好的安全性能。
本发明的第一目的是提供一种基于混沌和DNA动态平面运算的图像加密方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：
一种基于混沌和DNA动态平面运算的图像加密方法，该方法包括以下步骤：
(1)利用原始平面图像产生混沌系统所需的初始值，建立混沌系统初始值与原始图像的关系；
(2)根据混沌系统初始值产生置乱阶段需要使用的位置信息，在置乱阶段，根据位置信息采用交叉置乱算法排列原始图像，得到排列后的图像；
(3)将排列后的图像划分为四个相同大小的子图像，任意选择其中一个子图像，采用DNA匹配规则对选择的子图像进行编码，将编码后的子图像动态分解为四个DNA平面；
(4)采用交叉置乱算法排列四个DNA平面，将这四个经过置乱的DNA平面重新组合成子图像，并进行DNA解码获得新的子图像；
(5)采用新的子图像以异或操作混淆和扩散至其他三个子图像，分别得到三个新的子图像，将这四个新的子图像重新组合得到完整的加密图像。
作为进一步的优选方案，所述步骤(1)中具体采用SHA3-512散列函数将原始平面图像映射为由512比特位组成的十六进制值序列，对十六进制值序列进行算数运算得到满足混沌系统需求的十进制初始值。
作为进一步的优选方案，所述步骤(1)采用SHA3-512散列函数建立混沌系统初始值与原始图像的关系的具体步骤为：
(1-1)采用SHA3-512散列函数将原始平面图像映射为由512比特位组成的十六进制值序列；
(1-2)从512比特位组成的十六进制值序列中任一获取4组8比特位的十六进制值；并分别由十六进制转换为十进制；
(1-3)将4组8比特位的十进制值依次进行位级别的异或得到中间值，由中间值得到驱动混沌系统的初始值，并将初始值进行标准化。
作为进一步的优选方案，所述步骤(2)中采用分段线性混沌映射法产生置乱阶段需要使用的位置信息。
作为进一步的优选方案，所述步骤(2)中采用分段线性混沌映射法产生置乱阶段需要使用的位置信息后，对位置信息值进行标准化，将标准化后的位置信息值应用于置乱阶段。
作为进一步的优选方案，所述步骤(5)采用新的子图像以异或操作混淆和扩散至其他三个子图像的具体步骤为：
将新的子图像作为第一新子图像，在其他三个子图像中选择任意一个子图像作为第二子图像，将第一新子图像与第二子图像进行异或得到第二子图像的新的子图像；
将第二子图像的新的子图像作为第二新子图像，在其他剩余两个子图像中选择任意一个子图像作为第三子图像，将第二新子图像与第三子图像进行异或得到第三子图像的新的子图像；
将第三子图像的新的子图像作为第三新子图像，将其他剩余一个子图像作为第四子图像，将第三新子图像与第四子图像进行异或得到第四子图像的新的子图像，作为第四新子图像。
本发明的第二目的是提供一种基于混沌和DNA动态平面运算的图像加密方法的存储设备。
为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：
一种存储设备，其中存储有多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行：
(1)利用原始平面图像产生混沌系统所需的初始值，建立混沌系统初始值与原始图像的关系；
(2)根据混沌系统初始值产生置乱阶段需要使用的位置信息，在置乱阶段，根据位置信息采用交叉置乱算法排列原始图像，得到排列后的图像；
(3)将排列后的图像划分为四个相同大小的子图像，任意选择其中一个子图像，采用DNA匹配规则对选择的子图像进行编码，将编码后的子图像动态分解为四个DNA平面；
(4)采用交叉置乱算法排列四个DNA平面，将这四个经过置乱的DNA平面重新组合成子图像，并进行DNA解码获得新的子图像；
(5)采用新的子图像以异或操作混淆和扩散至其他三个子图像，分别得到三个新的子图像，将这四个新的子图像重新组合得到完整的加密图像。
本发明的第三目的是提供一种基于混沌和DNA动态平面运算的图像加密方法的终端设备。
为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：
一种终端设备，包括：
处理器，适于实现各指令；以及
存储设备，适于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行：
(1)利用原始平面图像产生混沌系统所需的初始值，建立混沌系统初始值与原始图像的关系；
(2)根据混沌系统初始值产生置乱阶段需要使用的位置信息，在置乱阶段，根据位置信息采用交叉置乱算法排列原始图像，得到排列后的图像；
(3)将排列后的图像划分为四个相同大小的子图像，任意选择其中一个子图像，采用DNA匹配规则对选择的子图像进行编码，将编码后的子图像动态分解为四个DNA平面；
(4)采用交叉置乱算法排列四个DNA平面，将这四个经过置乱的DNA平面重新组合成子图像，并进行DNA解码获得新的子图像；
(5)采用新的子图像以异或操作混淆和扩散至其他三个子图像，分别得到三个新的子图像，将这四个新的子图像重新组合得到完整的加密图像。
本发明的第四目的是提供一种基于混沌和DNA动态平面运算的图像解密方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：
一种基于混沌和DNA动态平面运算的图像解密方法，该方法包括以下步骤：
(1)将加密图像按照基于混沌和DNA平面运算的图像加密方法中的划分方法划分为四个相同大小的子图像；
(2)将四个相同大小的子图像依次两两异或操作，分别得到三个原始子图像；
(3)求解剩余的一个原始子图像，将该原始子图像对应的子图像进行DNA编码，将编码后的子图像动态分解为四个DNA平面；
(4)采用交叉置乱算法反向排列四个DNA平面，将这四个经过置乱的DNA平面回复其原始位置，并进行DNA解码获得原始子图像；
(5)将这四个原始子图像重新组合得到完整的置乱排列图像，利用置乱阶段使用的位置信息以及混沌系统初始值与原始图像的关系，获得置乱排列中每个像素点的原始位置，将对应像素互换，最终获得原始图像。
作为进一步的优选方案，所述步骤(5)中采用分段线性混沌映射法的参数、混沌系统初始值以及SHA3-512散列函数计算获得置乱排列中每个像素点的原始位置。
本发明的第五目的是提供一种基于混沌和DNA动态平面运算的图像解密方法的存储设备。
为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：
一种存储设备，其中存储有多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行：
(1)将加密图像按照基于混沌和DNA平面运算的图像加密方法中的划分方法划分为四个相同大小的子图像；
(2)将四个相同大小的子图像依次两两异或操作，分别得到三个原始子图像；
(3)求解剩余的一个原始子图像，将该原始子图像对应的子图像进行DNA编码，将编码后的子图像动态分解为四个DNA平面；
(4)采用交叉置乱算法反向排列四个DNA平面，将这四个经过置乱的DNA平面回复其原始位置，并进行DNA解码获得原始子图像；
(5)将这四个原始子图像重新组合得到完整的置乱排列图像，利用置乱阶段使用的位置信息以及混沌系统初始值与原始图像的关系，获得置乱排列中每个像素点的原始位置，将对应像素互换，最终获得原始图像。
本发明的第六目的是提供一种基于混沌和DNA动态平面运算的图像解密方法的终端设备。
为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：
一种终端设备，包括：
处理器，适于实现各指令；以及
存储设备，适于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行：
(1)将加密图像按照基于混沌和DNA平面运算的图像加密方法中的划分方法划分为四个相同大小的子图像；
(2)将四个相同大小的子图像依次两两异或操作，分别得到三个原始子图像；
(3)求解剩余的一个原始子图像，将该原始子图像对应的子图像进行DNA编码，将编码后的子图像动态分解为四个DNA平面；
(4)采用交叉置乱算法反向排列四个DNA平面，将这四个经过置乱的DNA平面回复其原始位置，并进行DNA解码获得原始子图像；
(5)将这四个原始子图像重新组合得到完整的置乱排列图像，利用置乱阶段使用的位置信息以及混沌系统初始值与原始图像的关系，获得置乱排列中每个像素点的原始位置，将对应像素互换，最终获得原始图像。
本发明的有益效果：
本发明的一种基于混沌和DNA动态平面运算的图像加、解密方法及系统，通过交叉置乱算法将未处理过的图像混合。然后，将排列的图像分成四个相同大小的四分之一的图像，通过DNA规则对其中的一个进行编码。将编码的图像动态分解为四个“DNA平面”，这意味着每个像素可以构成四个DNA单位，对于所有像素，可以获得四个平面。之后，分别置乱每个DNA平面，解码这些DNA平面，并将它们组合回一个四分之一的图像。最后，使用最后一步的合成图像，扩散其他三个部分。扩散操作通过异或操作实现。然后，将这些部分组合成一个整体图像，得到加密图像。解密方法是加密方法的完全逆过程。实验结果与数据分析表明，该方法具有较强的抵御典型攻击的能力，具有良好的安全性能。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明加密方法的流程图；
图2为本发明解密方法的流程图；
图3为本发明用于性能分析的普通图像；
图4为本发明用于性能分析的加密图像；
图5为本发明用于性能分析的解密图像；
图6为本发明普通图像和加密图像的直方图；
图7为本发明普通图像和加密图像的两个相邻像素的相关性示意图；
图8为本发明密钥的敏感度示意图；
图9为本发明全黑图像和全白图像的加密图像。
具体实施方式：
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
本发明为了解决背景技术所介绍的问题，在混沌和DNA动态平面运算的基础上，提供一种基于混沌和DNA动态平面运算的图像加、解密方法及系统。本发明的图像加、解密方法具有较强的抵御典型攻击的能力，具有良好的安全性能。
实施例1：
本发明的第一目的是提供一种基于混沌和DNA动态平面运算的图像加密方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：
如图1所示，
一种基于混沌和DNA动态平面运算的图像加密方法，该方法包括以下步骤：
(1)利用原始平面图像产生混沌系统所需的初始值，建立混沌系统初始值与原始图像的关系；
(2)根据混沌系统初始值产生置乱阶段需要使用的位置信息，在置乱阶段，根据位置信息采用交叉置乱算法排列原始图像，得到排列后的图像；
(3)将排列后的图像划分为四个相同大小的子图像，任意选择其中一个子图像，采用DNA匹配规则对选择的子图像进行编码，将编码后的子图像动态分解为四个DNA平面；
(4)采用交叉置乱算法排列四个DNA平面，将这四个经过置乱的DNA平面重新组合成子图像，并进行DNA解码获得新的子图像；
(5)采用新的子图像以异或操作混淆和扩散至其他三个子图像，分别得到三个新的子图像，将这四个新的子图像重新组合得到完整的加密图像。
步骤(1)：
所述步骤(1)中具体采用SHA3-512散列函数将原始平面图像映射为由512比特位组成的十六进制值序列，对十六进制值序列进行算数运算得到满足混沌系统需求的十进制初始值。
所述步骤(1)采用SHA3-512散列函数建立混沌系统初始值与原始图像的关系的具体步骤为：
(1-1)采用SHA3-512散列函数将原始平面图像映射为由512比特位组成的十六进制值序列；
(1-2)从512比特位组成的十六进制值序列中任一获取4组8比特位的十六进制值；并分别由十六进制转换为十进制；
d＝hex2dec(hex_value(b1:b8)) (1)
其中d是十进制值。hex2dec是用于将十六进制值转换为十进制值的函数。hex_value(b1:b8)表示8bits值，该值是从原始图像到SHA3-512的512bits映射值中任意获取的。使用公式(1)分别计算出d1,d2,d3和d4。
(1-3)将4组8比特位的十进制值依次进行位级别的异或得到中间值，由中间值得到驱动混沌系统的初始值，并将初始值进行标准化。使用公式(2)和公式(3)来计算初始值。
val＝bitxor(bitxor(bitxor(d1,d2),d3),d4) (2)
x＝x/power(2,32) (3)
其中val是中间值，bitxor是位级别的“异或”运算；d1,d2,d3和d4是8比特位的十进制值；x是用来驱动混沌系统的初始值；power是用于x标准化的幂函数。
步骤(2)：
所述步骤(2)中采用分段线性混沌映射法产生置乱阶段需要使用的位置信息：
其中，Fp(xn)为分段线性混沌映射函数，x为位置信息值，xn∈(0,1)和p∈(0,0.5)，在本实施例中赋值p＝0.25678900。
所述步骤(2)中采用分段线性混沌映射法产生置乱阶段需要使用的位置信息后，对位置信息值进行标准化，将标准化后的位置信息值应用于置乱阶段：
Positions＝floor(128x)+1 (5)
其中，Positions位置是用来重排列原始图像，x是由公式(4)生成的混沌信号，floor是四舍五入函数。
所述步骤(2)中根据位置信息采用交叉置乱算法排列原始图像，得到排列后的图像；在本实施例中具体采用行列交叉置乱算法：
行列交叉置乱算法同时针对图像上下左右四个方向的行或是列的像素进行置乱操作。假设图像中行i和j以及列r和q为待置乱像素，其对应的置换像素行分别为m,n和列s,t。则行列交叉置乱算法如下：
初始设置为：
i＝1,j＝N；r＝1；q＝M；
则后续第n轮置乱操作中，可通过下列公式计算目标行和列：
其中，xn是第n轮中通过公式(4)计算出的混沌值，M是图像的像素宽度，N是图像的像素高度。
步骤(3)：
将排列后的图像划分为四个相同大小的子图像，任意选择其中一个子图像，采用DNA匹配规则对选择的子图像进行编码：
xn+1＝μxn(1-xn) (6)
Rules＝floor(8xn+1)+1, (7)
其中，xn是混沌系统产生的混沌信号。Rules是DNA编码规则。
将编码后的子图像动态分解为四个DNA平面。
步骤(4)：
(4)采用交叉置乱算法排列四个DNA平面，将这四个经过置乱的DNA平面重新组合成子图像，并进行DNA解码获得新的子图像A'；
步骤(5)：
所述步骤(5)采用新的子图像以异或操作混淆和扩散至其他三个子图像的具体步骤为：
将新的子图像作为第一新子图像，在其他三个子图像中选择任意一个子图像作为第二子图像，将第一新子图像与第二子图像进行异或得到第二子图像的新的子图像；
将第二子图像的新的子图像作为第二新子图像，在其他剩余两个子图像中选择任意一个子图像作为第三子图像，将第二新子图像与第三子图像进行异或得到第三子图像的新的子图像；
将第三子图像的新的子图像作为第三新子图像，将其他剩余一个子图像作为第四子图像，将第三新子图像与第四子图像进行异或得到第四子图像的新的子图像，作为第四新子图像。
采用子图像A'，通过公式(8)到公式(10)，混淆扩散到其他三幅子图像B，C和D中。
B′＝bitxor(A′,B), (8)
C′＝bitxor(B′,C), (9)
D′＝bitxor(C′,D), (10)
其中，B'，C'和D'是扩散后的的子图像。bitxor是“异或”操作。
将这四个新的子图像A’，B’，C’和D’重新组合得到完整的加密图像。
实施例2：
本发明的第二目的是提供一种基于混沌和DNA动态平面运算的图像加密方法的存储设备。
为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：
一种存储设备，其中存储有多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行：
(1)利用原始平面图像产生混沌系统所需的初始值，建立混沌系统初始值与原始图像的关系；
(2)根据混沌系统初始值产生置乱阶段需要使用的位置信息，在置乱阶段，根据位置信息采用交叉置乱算法排列原始图像，得到排列后的图像；
(3)将排列后的图像划分为四个相同大小的子图像，任意选择其中一个子图像，采用DNA匹配规则对选择的子图像进行编码，将编码后的子图像动态分解为四个DNA平面；
(4)采用交叉置乱算法排列四个DNA平面，将这四个经过置乱的DNA平面重新组合成子图像，并进行DNA解码获得新的子图像；
(5)采用新的子图像以异或操作混淆和扩散至其他三个子图像，分别得到三个新的子图像，将这四个新的子图像重新组合得到完整的加密图像。
实施例3：
本发明的第三目的是提供一种基于混沌和DNA动态平面运算的图像加密方法的终端设备。
为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：
一种终端设备，包括：
处理器，适于实现各指令；以及
存储设备，适于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行：
(1)利用原始平面图像产生混沌系统所需的初始值，建立混沌系统初始值与原始图像的关系；
(2)根据混沌系统初始值产生置乱阶段需要使用的位置信息，在置乱阶段，根据位置信息采用交叉置乱算法排列原始图像，得到排列后的图像；
(3)将排列后的图像划分为四个相同大小的子图像，任意选择其中一个子图像，采用DNA匹配规则对选择的子图像进行编码，将编码后的子图像动态分解为四个DNA平面；
(4)采用交叉置乱算法排列四个DNA平面，将这四个经过置乱的DNA平面重新组合成子图像，并进行DNA解码获得新的子图像；
(5)采用新的子图像以异或操作混淆和扩散至其他三个子图像，分别得到三个新的子图像，将这四个新的子图像重新组合得到完整的加密图像。
实施例4：
本发明的第四目的是提供一种基于混沌和DNA动态平面运算的图像解密方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：
如图2所示，解密方法正是加密方法的逆过程。
一种基于混沌和DNA平面运算的图像解密方法，该方法包括以下步骤：
(1)将加密图像按照基于混沌和DNA平面运算的图像加密方法中的划分方法划分为四个相同大小的子图像A’，B’，C’和D’；
(2)将四个相同大小的子图像依次两两异或操作，分别得到三个原始子图像；
利用A’，B’，C’和D’和下列公式，反向求出B，C和D。
D＝bitxor(C′,D′)
B＝bitxor(A′,B′),
C＝bitxor(B′,C′),
(3)求解剩余的一个原始子图像A，依据公式(6)和公式(7)将子图像A'进行DNA编码，将编码后的子图像动态分解为四个DNA平面；
(4)采用交叉置乱算法反向排列四个DNA平面，将这四个经过置乱的DNA平面回复其原始位置，并进行DNA解码获得原始子图像A；
(5)将这四个原始子图像A，B，C和D重新组合得到完整的置乱排列图像，利用置乱阶段使用的位置信息以及混沌系统初始值与原始图像的关系，通过公式(1)～(5)获得置乱排列中每个像素点的原始位置，将对应像素互换，最终获得原始图像。
所述步骤(5)中采用分段线性混沌映射法的参数、混沌系统初始值以及SHA3-512散列函数计算获得置乱排列中每个像素点的原始位置。
实施例5：
本发明的第五目的是提供一种基于混沌和DNA动态平面运算的图像解密方法的存储设备。
为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：
一种存储设备，其中存储有多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行：
(1)将加密图像按照基于混沌和DNA平面运算的图像加密方法中的划分方法划分为四个相同大小的子图像；
(2)将四个相同大小的子图像依次两两异或操作，分别得到三个原始子图像；
(3)求解剩余的一个原始子图像，将该原始子图像对应的子图像进行DNA编码，将编码后的子图像动态分解为四个DNA平面；
(4)采用交叉置乱算法反向排列四个DNA平面，将这四个经过置乱的DNA平面回复其原始位置，并进行DNA解码获得原始子图像；
(5)将这四个原始子图像重新组合得到完整的置乱排列图像，利用置乱阶段使用的位置信息以及混沌系统初始值与原始图像的关系，获得置乱排列中每个像素点的原始位置，将对应像素互换，最终获得原始图像。
实施例6：
本发明的第六目的是提供一种基于混沌和DNA动态平面运算的图像解密方法的终端设备。
为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：
一种终端设备，包括：
处理器，适于实现各指令；以及
存储设备，适于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行：
(1)将加密图像按照基于混沌和DNA平面运算的图像加密方法中的划分方法划分为四个相同大小的子图像；
(2)将四个相同大小的子图像依次两两异或操作，分别得到三个原始子图像；
(3)求解剩余的一个原始子图像，将该原始子图像对应的子图像进行DNA编码，将编码后的子图像动态分解为四个DNA平面；
(4)采用交叉置乱算法反向排列四个DNA平面，将这四个经过置乱的DNA平面回复其原始位置，并进行DNA解码获得原始子图像；
(5)将这四个原始子图像重新组合得到完整的置乱排列图像，利用置乱阶段使用的位置信息以及混沌系统初始值与原始图像的关系，获得置乱排列中每个像素点的原始位置，将对应像素互换，最终获得原始图像。
针对实施例1-实施例6进行性能与安全性分析。
如图3-图5所示为一种基于混沌和DNA平面运算的图像加、解密方法的性能。图3(a)为Bird的普通图像；图3(b)为Finger的普通图像；图3(c)为Lena的普通图像；图3(d)为Peppers的普通图像；图4(a)为Bird的加密图像；图4(b)为Finger的加密图像；图4(c)为Lena的加密图像；图4(d)为Peppers的加密图像；图5(a)为Bird的解密图像；图5(b)为Finger的解密图像；图5(c)为Lena的解密图像；图5(d)为Peppers的解密图像。
统计分析：
密码图像上的两个相邻像素的直方图和相关分析可以反映出所提出的算法是否能够抵抗统计攻击。加密图像的直方图越平坦，提出的算法性能越好。Lena的普通图像和Lena的加密图像的直方图如图6所示。
两个相邻像素在普通图像中是强相关的。一种性能优良的图像加密算法应该会破坏像素之间的这种关系。图7显示了普通图像和运用基于混沌和DNA动态平面运算的图像加密方法的加密图像的两个相邻像素的相关性。如图7所示的普通图像和运用基于混沌和DNA动态平面运算的图像加密方法的加密图像的两个相邻像素的相关性。图7(a)为对角方向的普通图像，图7(b)为对角方向的加密图像，图7(c)为垂直方向的普通图像，图7(d)为垂直方向的加密图像，图7(e)为水平方的普通图像，图7(f)为水平方向的加密图像。
相关系数rx,y由公式(11)到公式(13)量化了普通图像和运用基于混沌和DNA平面运算的图像加密方法的加密图像的像素之间的相关性，
cov(x,y)＝E{(x-E(x))(y-E(y))}, (11)
其中x和y是普通图像或密码图像中两个相邻像素的值，
结果如表1所示。
表1普通图像和密码图像中相邻像素的相关系数
密钥空间分析：
(1)密钥的敏感度
基于混沌和DNA动态平面运算的图像加密方法的主要密钥包括：分段线性混沌映射法PWLCM的参数和初始值，p1和x1；通过SHA3-512散列函数从普通图像生成的哈希值hash_value。在本加密方法中，512位中的32位用于生成初始值，因此违反该散列值的概率为图8分别给出了密钥的敏感度。图8(a)为Lena普通图像，图8(b)为Lena解码x1+10-16图像，图8(a)为Lena解码p1+10-17图像，图8(a)为Lena解码hash_value′图像，hash_value′是hash_value有一个位的改变。
(2)密钥空间
本加、解密方法的密钥空间是1016×1017×2165≈2275，其强度足以抵抗穷举攻击。
(3)信息熵
信息熵描述了系统的复杂性。用来衡量密码图像的混沌程度。它可以通过公式(14)计算得：
其中x是一组符号；n是符号的总数，xi∈x；p(xi)是x中xi的概率。表2显示了密码图像和普通图像的信息熵。从表2可以看出，本加密方法具有良好的加密性能。
表2加密图像的信息熵
(4)抵抗查分攻击的分析
像素数变化率(NPCRR,G,B)和统一平均变化强度(UACIR,G,B)用于测试微小变化对整个加密图像的影响。NPCRR,G,B越接近100％，算法性能越好。UACIR,G,B越接近33.33％，所提出的算法越能抗拒差分攻击。普通图像及其加密图像被表示为和通过将值1添加到随机选择的R，G和B分量的像素中，以改变平面图像的一个像素。修改的图像及其加密图像被表示为和创建一个辅助矩阵D，当然后DR,G,B(i,j)＝0；除此以外DR,G,B(i,j)＝1，NPCRR,G,B和UACIR,G,B并定义为：
其中M×N是图像的大小。
表3 NPCRs和UACIs
本加密方法的结果见表3。从表3可以看出，本加密方法具有良好的抗差分攻击性能。
(5)抵御已知明文和选择明文攻击的分析
采用两个特殊的平面图像来测试所提出的算法是否足够强大以抵御选择明文攻击。一个是全黑色RGB图像，另一个是全白RGB图像。图9所示的为全黑图像和全白图像的加密图像，图9(a)为全黑图像的加密图像，图9(b)为全白图像的加密图像。从中我们可以看出，攻击者不能直接获取密码图像中的有用信息，因此本加密方法有抵御选择明文攻击的能力。
(6)时间复杂度分析
在本加密方法中，O(M×N)是时间复杂度，其中M和N是平面图像的宽度和高度。在置乱阶段，时间复杂度是必需的。在扩散阶段，时间复杂度为因此本加密方法的总时间复杂度为O(M×N)。
本发明的有益效果：
本发明的一种基于混沌和DNA动态平面运算的图像加、解密方法及系统，通过交叉置乱算法将未处理过的图像混合。然后，将排列的图像分成四个相同大小的四分之一的图像，通过DNA规则对其中的一个进行编码。将编码的图像分解为四个“DNA平面”，这意味着每个像素可以构成四个DNA单位，对于所有像素，可以获得四个平面。之后，分别置乱每个DNA平面，解码这些DNA平面，并将它们组合回一个四分之一的图像。最后，使用最后一步的合成图像，扩散其他三个部分。扩散操作通过异或操作实现。然后，将这些部分组合成一个整体图像，得到加密图像。解密方法是加密方法的完全逆过程。实验结果与数据分析表明，该方法具有较强的抵御典型攻击的能力，具有良好的安全性能。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于混沌和DNA动态平面运算的图像加密方法，其特征是：该方法包括以下步骤：
(1)利用原始平面图像产生混沌系统所需的初始值，建立混沌系统初始值与原始图像的关系；
(2)根据混沌系统初始值产生置乱阶段需要使用的位置信息，在置乱阶段，根据位置信息采用交叉置乱算法排列原始图像，得到排列后的图像；
(3)将排列后的图像划分为四个相同大小的子图像，任意选择其中一个子图像，采用DNA匹配规则对选择的子图像进行编码，将编码后的子图像动态分解为四个DNA平面；
(4)采用交叉置乱算法排列四个DNA平面，将这四个经过置乱的DNA平面重新组合成子图像，并进行DNA解码获得新的子图像；
(5)采用新的子图像以异或操作混淆和扩散至其他三个子图像，分别得到三个新的子图像，将这四个新的子图像重新组合得到完整的加密图像。
2.如权利要求1所述的一种基于混沌和DNA动态平面运算的图像加密方法，其特征是：所述步骤(1)中具体采用SHA3-512散列函数将原始平面图像映射为由512比特位组成的十六进制值序列，对十六进制值序列进行算数运算得到满足混沌系统需求的十进制初始值；
所述步骤(1)采用SHA3-512散列函数建立混沌系统初始值与原始图像的关系的具体步骤为：
(1-1)采用SHA3-512散列函数将原始平面图像映射为由512比特位组成的十六进制值序列；
(1-2)从512比特位组成的十六进制值序列中任一获取4组8比特位的十六进制值；并分别由十六进制转换为十进制；
(1-3)将4组8比特位的十进制值依次进行位级别的异或得到中间值，由中间值得到驱动混沌系统的初始值，并将初始值进行标准化。
3.如权利要求1所述的一种基于混沌和DNA动态平面运算的图像加密方法，其特征是：所述步骤(2)中采用分段线性混沌映射法产生置乱阶段需要使用的位置信息；
所述步骤(2)中采用分段线性混沌映射法产生置乱阶段需要使用的位置信息后，对位置信息值进行标准化，将标准化后的位置信息值应用于置乱阶段。
4.如权利要求1所述的一种基于混沌和DNA动态平面运算的图像加密方法，其特征是：所述步骤(5)采用新的子图像以异或操作混淆和扩散至其他三个子图像的具体步骤为：
将新的子图像作为第一新子图像，在其他三个子图像中选择任意一个子图像作为第二子图像，将第一新子图像与第二子图像进行异或得到第二子图像的新的子图像；
将第二子图像的新的子图像作为第二新子图像，在其他剩余两个子图像中选择任意一个子图像作为第三子图像，将第二新子图像与第三子图像进行异或得到第三子图像的新的子图像；
将第三子图像的新的子图像作为第三新子图像，将其他剩余一个子图像作为第四子图像，将第三新子图像与第四子图像进行异或得到第四子图像的新的子图像，作为第四新子图像。
5.一种存储设备，其中存储有多条指令，其特征是：所述指令适于由处理器加载并执行：
(1)利用原始平面图像产生混沌系统所需的初始值，建立混沌系统初始值与原始图像的关系；
(2)根据混沌系统初始值产生置乱阶段需要使用的位置信息，在置乱阶段，根据位置信息采用交叉置乱算法排列原始图像，得到排列后的图像；
(3)将排列后的图像划分为四个相同大小的子图像，任意选择其中一个子图像，采用DNA匹配规则对选择的子图像进行编码，将编码后的子图像动态分解为四个DNA平面；
(4)采用交叉置乱算法排列四个DNA平面，将这四个经过置乱的DNA平面重新组合成子图像，并进行DNA解码获得新的子图像；
(5)采用新的子图像以异或操作混淆和扩散至其他三个子图像，分别得到三个新的子图像，将这四个新的子图像重新组合得到完整的加密图像。
6.一种终端设备，包括：
处理器，适于实现各指令；以及
存储设备，适于存储多条指令，其特征是：所述指令适于由处理器加载并执行：
(1)利用原始平面图像产生混沌系统所需的初始值，建立混沌系统初始值与原始图像的关系；
(2)根据混沌系统初始值产生置乱阶段需要使用的位置信息，在置乱阶段，根据位置信息采用交叉置乱算法排列原始图像，得到排列后的图像；
(3)将排列后的图像划分为四个相同大小的子图像，任意选择其中一个子图像，采用DNA匹配规则对选择的子图像进行编码，将编码后的子图像动态分解为四个DNA平面；
(4)采用交叉置乱算法排列四个DNA平面，将这四个经过置乱的DNA平面重新组合成子图像，并进行DNA解码获得新的子图像；
(5)采用新的子图像以异或操作混淆和扩散至其他三个子图像，分别得到三个新的子图像，将这四个新的子图像重新组合得到完整的加密图像。
7.一种基于混沌和DNA动态平面运算的图像解密方法，其特征是：该方法包括以下步骤：
(1)将加密图像按照基于混沌和DNA平面运算的图像加密方法中的划分方法划分为四个相同大小的子图像；
(2)将四个相同大小的子图像依次两两异或操作，分别得到三个原始子图像；
(3)求解剩余的一个原始子图像，将该原始子图像对应的子图像进行DNA编码，将编码后的子图像动态分解为四个DNA平面；
(4)采用交叉置乱算法反向排列四个DNA平面，将这四个经过置乱的DNA平面回复其原始位置，并进行DNA解码获得原始子图像；
(5)将这四个原始子图像重新组合得到完整的置乱排列图像，利用置乱阶段使用的位置信息以及混沌系统初始值与原始图像的关系，获得置乱排列中每个像素点的原始位置，将对应像素互换，最终获得原始图像。
8.如权利要求7所述的一种基于混沌和DNA动态平面运算的图像加密方法，其特征是：所述步骤(5)中采用分段线性混沌映射法的参数、混沌系统初始值以及SHA3-512散列函数计算获得置乱排列中每个像素点的原始位置。
9.一种存储设备，其中存储有多条指令，其特征是：所述指令适于由处理器加载并执行：
(1)将加密图像按照基于混沌和DNA动态平面运算的图像加密方法中的划分方法划分为四个相同大小的子图像；
(2)将四个相同大小的子图像依次两两异或操作，分别得到三个原始子图像；
(3)求解剩余的一个原始子图像，将该原始子图像对应的子图像进行DNA编码，将编码后的子图像动态分解为四个DNA平面；
(4)采用交叉置乱算法反向排列四个DNA平面，将这四个经过置乱的DNA平面回复其原始位置，并进行DNA解码获得原始子图像；
(5)将这四个原始子图像重新组合得到完整的置乱排列图像，利用置乱阶段使用的位置信息以及混沌系统初始值与原始图像的关系，获得置乱排列中每个像素点的原始位置，将对应像素互换，最终获得原始图像。
10.一种终端设备，包括：
处理器，适于实现各指令；以及
存储设备，适于存储多条指令，其特征是：所述指令适于由处理器加载并执行：
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(4)采用交叉置乱算法反向排列四个DNA平面，将这四个经过置乱的DNA平面回复其原始位置，并进行DNA解码获得原始子图像；
(5)将这四个原始子图像重新组合得到完整的置乱排列图像，利用置乱阶段使用的位置信息以及混沌系统初始值与原始图像的关系，获得置乱排列中每个像素点的原始位置，将对应像素互换，最终获得原始图像。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20200929 |