CN107659751B

CN107659751B - 基于dna编码和混沌的多图像加密方法

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Publication number: CN107659751B
Application number: CN201710844773.1A
Authority: CN
Inventors: 张晓强; 王雪松
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2017-09-19
Filing date: 2017-09-19
Publication date: 2020-01-14
Anticipated expiration: 2037-09-19
Also published as: CN107659751A

Abstract

一种基于DNA编码和混沌的多图像加密方法，属于信息加密领域。大数据时代产生的海量数字图像，既要保证图像内容的安全性，又要有较高的加密效率。多图像加密作为一种新的多媒体安全技术，具有高效的特征。目前的一些多图像加密方法加密效率低，安全性弱，解密图像存在明显失真，难以令人满意。本发明将多幅原始图像编码成对应的DNA序列矩阵。利用混沌序列置乱DNA序列矩阵，并对置乱结果进行DNA序列的扩散操作。通过DNA解码操作得到加密图像。主要创新内容为：提出了一种基于DNA编码和混沌的多图像加密方法。实验结果表明：该方法具有优秀的加密效果且安全性高，适用于实际的图像加密应用中。

Description

基于DNA编码和混沌的多图像加密方法

技术领域

本发明涉及一种信息加密技术，特别是涉及一种多图像加密方法。

背景技术

在诸多领域，每天都产生海量的数字图像，如军事侦探，自然灾害监控，交通监控，天气预报，电子政务，以及个人事务等。同时，近年，各种拍摄设备的大量涌现也加速了大数据时代的到来。例如：一台普通的单反相机每秒钟能拍摄3 到5 张图像，一个交通摄像头每天能采集成千张图像。在大数据时代，数字图像经常携带许多秘密信息。随着计算机和互联网的飞速发展，多媒体安全，特别是图像安全已成为学术界和工业界的重要挑战之一。

为确保图像的安全传输，研究者提出了许多种单幅图像加密方法。目前，主要的单幅图像加密方法包括：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。

在大数据时代，尽管多幅图像可通过重复多次执行单幅图像加密方法来完成，但是加密效率往往难以令人满意。多图像加密（Multiple-image encryption，MIE）作为一种新的多媒体安全技术，具有高效的特征，逐渐引起人们的关注。研究者们提出了一些基于光学信息处理系统的多图像加密方法。这些方法大多是基于小波变换或傅里叶变换而设计，在频域中实现对多图像的加密，并常常与图像压缩技术结合。因此，解密图像往往存在一些明显的失真。同时，这些方法要求图像数据在空间域和变换域之间来回变换。从而使得这些方法的加密效率也难以令人满意。在基于数字信息处理手段方面，研究者们也提出了一些多图像加密方法，但它们加密效率低或安全性弱，难以令人满意。为提高多图像加密方法的安全性和保证数字图像的安全传输，设计了一种基于DNA编码和混沌的多图像加密方法。

发明内容

本发明的目的：针对现有多图像加密方法存在加密效率低、解密图像失真或安全性弱的问题，提出一种基于DNA编码和混沌的多图像加密方法。

本发明的技术方案：为实现上述发明目的，采用的技术方案为基于DNA编码和混沌系统的多图像加密方法，包括如下步骤：

步骤1：产生密钥；

步骤2：产生混沌序列；

步骤3：产生混沌图像；

步骤4：DNA编码；

步骤5：图像置乱操作；

步骤6：DNA序列分割；

步骤7：图像扩散操作；

步骤8：DNA解码。

进一步地，所述步骤1 中，为产生密钥，按照给定的顺序，将k幅m×n大小的交互图像I₁, I₂, …, I_k组合成一幅大图像I^b；利用SHA-256，计算大图像的哈希散列值K；将K按照每8 位（Bit）划分成位块，即

K=k₁,k₂, …, k₃₂；（1）

计算分段线性混沌映射（Piecewise Linear Chaotic Map，PWLCM）的初始值x₀, y₀和控制参数p_1,p₂为：

，（2）

，（3）

，（4）

，（5）

其中，mod(x, y)表示取模运算，⊕表示XOR异或运算。

进一步地，所述步骤1 中，利用初始值x₀和控制参数p₁，对PWLCM系统迭代4kmn次，产生一个混沌序列X_4kmn；同时，利用初始值y₀和控制参数p₂，对PWLCM系统迭代mn次，产生一个混沌序列Y_mn。

进一步地，所述步骤1 中，计算

y'=mod(floor(y×10¹⁵), 256)，（6）

其中，y是Y的任一元素，Y'={y'}，floor(·)表示向下取整函数；按照元素位置，依次将Y'转化为矩阵C_m×n。

进一步地，所述步骤1 中，按照图1中的编码规则1，对C和I^b进行DNA编码，得到对应的DNA序列矩阵C^D和I^D；按照图2的元素排列顺序，将I^D转化为一个DNA序列S¹。

进一步地，所述步骤1 中，对X按升序排序，

(X',l_X)=sort(X)，（7）

其中，sort(·)为排序函数，X'新生产序列，l_X为X'的索引值；利用X进行图像置乱操作，

S²(1,i)=S¹(1,l_X(i))，（8）

其中，i=1, 2, …,4kmn，S²为置乱后的DNA序列。

进一步地，所述步骤1 中，按照元素位置，依次将S²分割成k个4mn等长的DNA子序列，并将这k个子序列转化为k个大小为4×m×n的DNA矩阵，即I^s ₁, I^s ₂, …, I^s _k。

进一步地，所述步骤1 中，利用C^D对I^s ₁, I^s ₂, …, I^s _k进行如下扩散操作，

，（8）

其中，+和⊕分别表示图3和图 4所示的DNA加法和XOR异或运算；图像扩散结果为I^d ₁, I^d ₂, …, I^d _k。

进一步地，所述步骤1 中，按照图1中的编码规则1，对I^d ₁, I^d ₂, …, I^d _k进行DNA解码，得到k幅加密图像I^e ₁, I^e ₂, …, I^e _k。

所述解密过程为加密过程的逆过程。

有益效果：本发明针对现有的多图像加密方法，有的加密效率不高，有的解密图像存在一定程度的失真和有的安全性弱等缺点，难以令人满意，提出了一种基于DNA编码和混沌的多图像加密方法。主要贡献有以下3点：（1）结合数字图像的特征，设计了一种基于 DNA编码的混合运算；（2）利用DNA编码和计算理论，结合混沌系统，提出了一种基于DNA编码和混沌的多图像加密方法，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编、解码规则。

图2：矩阵转化为向量方法。

图3：DNA加法运算。

图4：DNA XOR运算。

图5：基于DNA编码和混沌的多图像加密方法的加密流程图。

图6：交互图像。

图7：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5是基于DNA编码和混沌的多幅图像加密方法的加密流程图。

采用的编程软件为Matlab R2012a，选取图6所示的4幅大小为512×512的灰色图像作为原始图像。采用基于DNA编码和混沌的多图像加密方法，对原始图像进行加密的具体过程如下。

1. 为产生密钥，按照给定的顺序，将4幅512×512大小的交互图像I₁, I₂, I₃, I₄组合成一幅大图像I^b；利用SHA-256，计算大图像的哈希散列值K；利用公式（1）-（5）计算分段线性混沌映射（Piecewise Linear Chaotic Map，PWLCM）的初始值x₀=0.3643，y₀=0.1126和控制参数p₁=0.1439，p₂=0.3235。

2. 利用初始值x₀和控制参数p₁，对PWLCM系统迭代4×4×512×512次，产生一个混沌序列X；同时，利用初始值y₀和控制参数p₂，对PWLCM系统迭代512×512次，产生一个混沌序列Y。

3. 计算混沌序列Y，得Y'；按照元素位置，依次将Y'转化为矩阵C_512×512。

4. 按照图1中的编码规则1，对C和I^b进行DNA编码，得到对应的DNA序列矩阵C^D和I^D；按照图2的元素排列顺序，将I^D转化为一个DNA序列S¹。

5. 对X按升序排序，利用X对S¹进行图像置乱操作，S²为置乱后的DNA序列。

6. 按照元素位置，依次将S²分割成4个4×512×512等长的DNA子序列，并将这4个子序列转化为4个大小为4×512×512的DNA矩阵，即I^s ₁, I^s ₂, I^s ₃, I^s ₄。

. 利用C^D，按照公式（8），对I^s ₁, I^s ₂, I^s ₃, I^s ₄进行扩散操作；图像扩散结果为I^d ₁,I^d ₂, I^d ₃, I^d ₄。

8. 按照图1中的编码规则1，对I^d ₁, I^d ₂, I^d ₃, I^d ₄进行DNA解码，得到4幅加密图像I^e ₁, I^e ₂, I^e ₃, I^e ₄，如图7所示。

在上述实例中，在已知密钥的情况下，利用同样的混沌序列作用于加密图像。接收方对加密图像进行上述加密过程的逆操作，即可实现解密，从而获得4幅原始交互图像。

Claims

1.基于DNA编码和混沌的多图像加密方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：令k幅m×n大小的交互图像I₁, I₂, …, I_k组合成的一幅大图像为I^b，计算分段线性混沌映射（Piecewise Linear Chaotic Map，PWLCM）的初始值x₀, y₀和控制参数p₁,p₂；

步骤2：利用x₀, y₀, p₁, p₂和PWLCM映射，产生两个混沌序列X_4kmn={x_i}和Y_mn={y_i}；

步骤3：基于Y_mn计算得Y'_mn={y'_i}，y'_i由公式（1）计算可得，

y'_i =mod(floor(y_i×10¹⁵), 256)，（1）

其中，floor(·)表示向下取整函数；按照元素位置，依次将Y'_mn转化为混沌图像C_mn；

步骤4：对C_mn和I^b进行DNA编码，得到对应的DNA序列矩阵C^D和I^D，I^D可转化为一个DNA序列S¹；

步骤5：对X_4kmn按升序排列，具体为：

(X', l_X)=sort(X_4kmn)，（2）

其中，sort(·)为排序函数，X'为新生产序列，l_X为X'的索引值；利用X_4kmn对S¹进行如下图像置乱操作，

S²(1, i)=S¹(1, l_X(i))，（3）

其中，i=1, 2, …,4kmn，S²为置乱后的DNA序列；

步骤6：按照元素位置，依次将S²分割成k个4mn等长的DNA子序列，并将其转化为k个大小为4×m×n的DNA三维矩阵I^s ₁, I^s ₂, …, I^s _k；

步骤7：利用C^D对I^s ₁, I^s ₂, …, I^s _k进行如下图像扩散操作，

，（4）

其中，+和⊕分别表示DNA加法和DNA异或运算；图像扩散结果为I^d ₁, I^d ₂, …, I^d _k；

步骤8：对I^d ₁, I^d ₂, …, I^d _k进行DNA解码，得到k幅加密图像I^e ₁, I^e ₂, …, I^e _k。

2.根据权利要求1 所述的方法，其特征在于：所述步骤1 中，按照给定的顺序，将k幅m×n大小的交互图像I₁, I₂, …, I_k组合成一幅大图像I^b；利用SHA-256，计算大图像的哈希散列值K；将K按照每8 位（Bit）划分成位块，即

K=k₁,k₂, …, k₃₂；（5）

计算PWLCM的初始值x₀, y₀和控制参数p_1,p₂为：

，（6）

，（7）

，（8）

，（9）

其中，mod(x, y)表示取模运算，⊕表示异或运算。

3.根据权利要求1 所述的方法，其特征在于：所述步骤2 中，利用初始值x₀和控制参数p₁，对PWLCM系统迭代4kmn次，产生一个混沌序列X_4kmn；利用初始值y₀和控制参数p₂，对PWLCM系统迭代mn次，产生一个混沌序列Y_mn。

4.根据权利要求1 所述的方法，其特征在于：所述步骤4 中，对C_mn和I^b进行DNA编码，编码规则如下：

，

得到对应的DNA序列矩阵C^D和I^D；按照从左到右、从上到下的元素排列顺序，将I^D转化为一个DNA序列S¹。

5.根据权利要求1 所述的方法，其特征在于：所述步骤8 中，对I^d ₁, I^d ₂, …, I^d _k进行DNA解码，编码规则如下：

，

得到k幅加密图像I^e ₁, I^e ₂, …, I^e _k。