CN107657579B - 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

基于DNA编码和混沌的图像加密方法
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：
Figure 541211DEST_PATH_IMAGE001
， （2）
Figure 312858DEST_PATH_IMAGE002
， （3）
Figure 732338DEST_PATH_IMAGE003
， （4）
Figure 83684DEST_PATH_IMAGE004
， （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
Figure 436168DEST_PATH_IMAGE005
， （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：
Figure 847558DEST_PATH_IMAGE006
， （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：
Figure 754334DEST_PATH_IMAGE007
， （8）
Figure 643793DEST_PATH_IMAGE008
， （9）
Figure 116363DEST_PATH_IMAGE009
， （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：
Figure 197189DEST_PATH_IMAGE010
， （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 (6)

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：利用SHA-256，计算大小为m×n交互图像I的哈希值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，计算两个二维Logistic映射新的初始值x0,y0, z0和q0；
步骤2：根据初始值x0和y0，迭代第一个二维Logistic映射4mn次，产生两个混沌序列X4mn和Y4mn；根据初始值z0和q0，迭代第二个二维Logistic映射mn次，产生两个混沌序列Zmn和Qmn；
步骤3：对交互图像I进行DNA编码，得到对应的DNA序列矩阵I1；
步骤4：对混沌序列X4mn进行升序排列
Figure 130213DEST_PATH_IMAGE001
， （1）
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（2），对IV1进行位置置乱：
Figure 133941DEST_PATH_IMAGE003
， （2）
其中，IV2是置乱后的向量；
步骤5：计算混沌序列Y4mn，Zmn和Qmn，得到对应的新混沌序列Y'4mn, Z'mn和Q'mn，并将Q'mn转化为矩阵形式Q1 mn，对Z'mn进行DNA编码得向量Z1；
步骤6：设计一种基于DNA编码的混合运算，对IV2是进行DNA编码域的扩散操作，得到对应DNA矩阵I2；
步骤7：对I2进行DNA解码，可得对应的图像I3；
步骤8：将Q1 mn与I3进行像素域的XOR异或运算，可得加密图像Emn。
2.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SHA-256，计算交互图像Im×n的哈希值K，将K按照每8 位（Bit）划分成位块，即
K=k1, k2, …, k32； （3）
计算产生两个二维Logistic映射的初始值为：
Figure 512969DEST_PATH_IMAGE004
， （4）
Figure 766096DEST_PATH_IMAGE005
， （5）
Figure 255983DEST_PATH_IMAGE006
， （6）
Figure 645376DEST_PATH_IMAGE007
， （7）
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3 中，对交互图像I进行DNA编码，编码规则如下：
Figure 992044DEST_PATH_IMAGE008
，
得到对应的DNA序列矩阵I1。
4.根据权利要求1 所述的方法，其特征在于：所述步骤5 中，对混沌序列Y4mn, Zmn和Qmn进行如下计算：
Figure 935729DEST_PATH_IMAGE009
， （8）
Figure 229307DEST_PATH_IMAGE010
， （9）
Figure 738786DEST_PATH_IMAGE011
， （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'}，floor(·)表示向下取整函数；对Z'进行DNA编码，编码规则如下：
Figure 459617DEST_PATH_IMAGE008
，
得到对应的DNA序列向量Z1。
5.根据权利要求1 所述的方法，其特征在于：所述步骤6 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：
Figure 625020DEST_PATH_IMAGE012
， （11）
其中，+, -, ⊕和Complement(•)分别表示DNA加法、减法、XOR异或和取补运算；将计算结果转化为矩阵形式，记作：I2。
6.根据权利要求1 所述的方法，其特征在于：所述步骤7 中，对I2进行DNA解码，解码规则如下：
Figure 519026DEST_PATH_IMAGE013
，
得到对应的图像I3。
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