CN107657579A - 基于dna编码和混沌的图像加密方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于DNA编码和混沌的图像加密方法,属于信息加密领域。图像产品内容泄密事件日益攀升,计算能力的提高,黑客攻击能力的增强,数字图像的复制、传播的便捷,这都为数字图像的安全带来了新的挑战。目前很多图像加密方法或是安全性不高,或是效率低,难以令人满意。本发明在交互图像的DNA编码域进行置乱和扩散操作,在像素域进行XOR异或运算,来达到隐藏交互图像信息的目的,从而实现对图像内容的保护。主要创新内容为:结合数字图像特点,设计了一种基于DNA编码的混合运算;基于该混合运算,设计了一种新图像加密方法。实验结果表明:该方法安全性高且加密效果良好,可保证图像在网络平台下安全可靠地传输。
Description
技术领域
本发明涉及一种信息加密技术,特别是涉及一种图像加密方法。
背景技术
在政治、军事、商业等诸多领域中,网络信息的安全变得日益重要。近年,网络安全发展态势呈现:(1)计算机病毒层出不穷;(2)黑客攻击逐年攀升;(3)系统存在安全漏洞;(4)各国军方加紧信息战研究。网络泄密事件时有发生,对网络个人的通信隐私、企业的商业机密、国家的安全稳定都造成了重大影响。因此,网络信息安全是互联网发展中急需解决的重要问题之一。
数字图像具有直观、生动和形象的特征。它比声音、文字等蕴含更多的信息量。据心理学家统计,人类至少有70%的信息来自视觉。数字图像已成为人们进行交流的重要信息载体之一。网络普及使得对数字图像的获取、分享、处理和分散变得更加容易。有些数据由于个人隐私、版权等安全原因,需要进行加密传输。近年,图像产品内容泄密事件日益攀升。另外,计算能力的提高,黑客攻击能力的增强,数字图像的复制、传播的便捷。这都为数字图像的安全带来了新的挑战。因此,如何保护图像内容的安全已成为学术界和工业领域的重要挑战之一。
为确保图像内容的安全,人们已提出了许多图像加密方法。这些方法主要包括:基于现代密码体制的图像加密方法、基于矩阵变换的图像加密方法、基于混沌的图像加密方法、基于变换域的图像加密方法和基于DNA计算的图像加密方法。然而,在这些方法中,有的加密效率不高,有的安全性较弱,有的解密图像存在一定程度的失真等缺点,难以令人满意。因此,利用DNA编码和混沌理论,设计了一种基于DNA编码和混沌的图像加密方法。
发明内容
本发明的目的:针对现有大多图像加密方法加密效率低或安全性弱的问题,提出一种基于DNA编码和混沌的图像加密方法。
本发明的技术方案:为了实现上述发明目的,采用的技术方案为基于DNA编码和混沌的图像加密方法,包括如下步骤:
步骤1:生成密钥;
步骤2:生成混沌序列;
步骤3:交互图像的DNA编码;
步骤4:DNA编码域的置乱操作;
步骤5:混沌序列的计算;
步骤6:DNA编码域的扩散操作;
步骤7:DNA解码;
步骤8:像素域的XOR异或操作。
进一步地,所述步骤1 中,为产生密钥,利用SHA-256,计算交互图像Im×n的哈希散列值K,并结合给定两个二维Logistic映射的初始值x'0, y'0, z'0和q'0按照公式(2)-(5),计算产生两个二维Logistic映射的初始值x0, y0, z0和q0;将K按照每8 位(Bit)划分成位块,即
K=k1, k2, …, k32; (1)
计算二维Logistic映射的初始值为:
, (2)
, (3)
, (4)
, (5)
其中,mod(•)表示取模运算,⊕表示XOR异或运算。
进一步地,所述步骤1 中,根据初始值x0和y0,迭代第1个二维Logistic映射4mn次,产生2个混沌序列X4mn和Y4mn;根据初始值z0和q0,迭代第2个二维Logistic映射mn次,产生2个混沌序列Zmn和Qmn。
进一步地,所述步骤1 中,按照图1中的编码规则1,对交互图像I进行DNA编码,得到对应的DNA序列矩阵I1。
进一步地,所述步骤1 中,利用混沌序列X4mn,在DNA编码域对I1进行置乱操作,具体方法为:对混沌序列X4mn进行升序排列
, (6)
其中,(·,·)=sort(·)是序列索引函数,fX是序列X4mn以升序排列后的新序列,lX是fX的索引值序列;按照从左到右,从上到下的元素顺序,将I1转换为向量IV1;利用公式(7),对IV1进行位置置乱:
, (7)
其中,IV2是置乱后的向量。
进一步地,所述步骤1 中,对混沌序列Y4mn,Zmn和Qmn进行如下计算:
, (8)
, (9)
, (10)
其中,y, z, q分别为Y4mn,Zmn和Qmn的任一元素,Y'4mn={y'},Z'mn={z'},Q'mn={q'},将Q'mn转化为矩阵形式Q1 mn,floor(·)表示向下取整函数;根据图1中的规则1,对Z'进行DNA编码得向量Z1。
进一步地,所述步骤1 中,为实现图像像素值扩散,设计了一种基于DNA编码的混合运算为:
, (10)
其中,+, -, ⊕和Complement(•)分别表示DNA加法、减法、XOR异或和取补运算,具体运算规则,分别如图2-5所示;依次将计算结果转化为矩阵形式,记作:I2 4mn。
进一步地,所述步骤1 中,按照图1中的编码规则1,对I2进行DNA解码,得加密图像I3。
进一步地,所述步骤1 中,将Q1 mn与I3进行XOR异或运算,可得加密图像Emn。
所述解密过程为加密过程的逆过程。
有益效果:本发明针对现有的图像加密方法,有的加密效率不高,有的安全性较弱,有的解密图像存在一定程度的失真等缺点,难以令人满意,提出一种基于DNA编码和混沌的图像加密方法。主要贡献有以下3点:(1)结合数字图像的特征,设计了一种DNA编码的混合运算;(2)利用该混合运算,提出一种加密方法,实现对数字图像内容的保护;(3)提出的新方法,加密效果好,安全性高。
附图说明
图1:DNA序列的8种编/解码规则。
图2:DNA加法运算。
图3:DNA减法运算。
图4:DNA XOR运算。
图5:DNA取补运算。
图6:基于DNA编码和混沌的图像加密方法加密流程图。
图7:Lenna灰色图像。
图8:加密图像。
具体实施方式
下面结合具体附图和实例对本发明的实施方式进行进一步详细说明。
图6是基于DNA编码和混沌的图像加密方法加密流程图。
采用的编程软件为Matlab 7.0,选取图7所示的大小为512×512的Lenna灰色图像为实验对象。采用基于DNA编码和混沌的图像加密方法,对交互图像加密的具体过程如下。
1.利用SHA-256,计算交互图像Lenna的哈希散列值K=ebaab36371358eb0208846d09 b5530ef7835b1af2129e55aa2fafcbcd9b93f0d(十六进制表示),并结合给定两个二维Logistic映射的初始值x'0=0.3643, y'0=0.1126, z'0=0.1564和q'0=0.2538按照公式(2)-(5),计算产生两个二维Logistic映射的初始值x0, y0, z0和q0。
2. 根据初始值x0和y0,迭代第1个二维Logistic映射4×512×512次,产生2个混沌序列X和Y。根据初始值z0和q0,迭代第2个二维Logistic映射512×512次,产生2个混沌序列Z和Q。
3. 按照图1中的编码规则1,对交互图像进行DNA编码,得到对应的DNA序列矩阵I1。
4. 利用混沌序列X,在DNA编码域对I1进行置乱操作。
5. 按照公式(8)-(10),计算混沌序列Y,Z和Q。将Q的计算结果转化为Q1 mn;根据图1中的规则1,对Z'进行DNA编码得向量Z1。
6. 利用设计的基于DNA编码的混合运算,为实现图像像素值扩散,算结果记作:I2。
7. 按照图1中的编码规则1,对I2进行DNA解码,得加密图像I3。
8. 将Q1与I3进行异或运算,可得加密图像E,如图8所示。
在上述实例中,在已知密钥的情况下,Bob对加密图像进行上述加密过程的逆操作,即可实现对加密图像的加密,从而获得原始交互图像。
Claims (10)
1.基于DNA编码和混沌的图像加密方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:生成密钥;
步骤2:生成混沌序列;
步骤3:交互图像的DNA编码;
步骤4:DNA编码域的置乱操作;
步骤5:混沌序列的计算;
步骤6:DNA编码域的扩散操作;
步骤7:DNA解码;
步骤8:像素域的XOR异或操作。
2.根据权利要求1 所述的方法,其特征在于:所述步骤1 中,为产生密钥,利用SHA-256,计算交互图像Im×n的哈希散列值K,并结合给定两个二维Logistic映射的初始值x'0,y'0, z'0和q'0按照公式(2)-(5),计算产生两个二维Logistic映射的初始值x0, y0, z0和q0;将K按照每8 位(Bit)划分成位块,即
K=k1, k2, …, k32; (1)
计算二维Logistic映射的初始值为:
483674dest_path_image001, (2)
883431dest_path_image002, (3)
526902dest_path_image003, (4)
753747dest_path_image004, (5)
其中,mod(•)表示取模运算,⊕表示XOR异或运算。
3.根据权利要求1 所述的方法,其特征在于:所述步骤1 中,根据初始值x0和y0,迭代第1个二维Logistic映射4mn次,产生2个混沌序列X4mn和Y4mn;根据初始值z0和q0,迭代第2个二维Logistic映射mn次,产生2个混沌序列Zmn和Qmn。
4.根据权利要求1 所述的方法,其特征在于:所述步骤1 中,按照图1中的编码规则1,对交互图像I进行DNA编码,得到对应的DNA序列矩阵I1。
5.根据权利要求1 所述的方法,其特征在于:所述步骤1 中,利用混沌序列X4mn,在DNA编码域对I1进行置乱操作,具体方法为:对混沌序列X4mn进行升序排列
, (6)
其中,(·,·)=sort(·)是序列索引函数,fX是序列X4mn以升序排列后的新序列,lX是fX的索引值序列;按照从左到右,从上到下的元素顺序,将I1转换为向量IV1;利用公式(7),对IV1进行位置置乱:
, (7)
其中,IV2是置乱后的向量。
6.根据权利要求1 所述的方法,其特征在于:所述步骤1 中,对混沌序列Y4mn,Zmn和Qmn进行如下计算:
, (8)
, (9)
, (10)
其中,y, z, q分别为Y4mn,Zmn和Qmn的任一元素,Y'4mn={y'},Z'mn={z'},Q'mn={q'},将Q'mn转化为矩阵形式Q1 mn,floor(·)表示向下取整函数;根据图1中的规则1,对Z'进行DNA编码得向量Z1。
7.根据权利要求1 所述的方法,其特征在于:所述步骤1 中,为实现图像像素值扩散,设计了一种基于DNA编码的混合运算为:
, (10)
其中,+, -, ⊕和Complement(•)分别表示DNA加法、减法、XOR异或和取补运算,具体运算规则,分别如图2-5所示;依次将计算结果转化为矩阵形式,记作:I2 4mn。
8.根据权利要求1 所述的方法,其特征在于:所述步骤1 中,按照图1中的编码规则1,对I2进行DNA解码,得加密图像I3。
9.根据权利要求1 所述的方法,其特征在于:所述步骤1 中,将Q1 mn与I3进行XOR异或运算,可得加密图像Emn。
10.根据权利要求1 所述的方法,其特征在于:所述解密过程为加密过程的逆过程。
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