CN108521534A - 基于dna编码和陈超混沌的多图像加密方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于DNA编码和陈超混沌的多图像加密方法，属于信息加密领域。目前，网络批量图像传送和存储变得日益频繁，为保护多幅交互图像内容的安全性，本发明提出一种基于DNA编码和陈超混沌的多图像加密方法。首先，对k幅图像进行DNA编码，并组成一幅大图像；其次，利用陈超混沌产生的混沌序列置乱大图像；再次，将置乱的大图像与混沌序列进行DNA计算完成扩散；最后，对扩散结果进行DNA解码，产生k幅加密图像。实验表明：该算法可同时加密多幅交互图像，且密钥空间大，密钥敏感性强，安全性高。

Description

基于DNA编码和陈超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
大数据时代下，无论是军事系统、电子政务和金融系统，还是日常生活，每天都会产生庞大的图像信息，为保证这些信息内容不被窃取，图像加密技术在科研界及工业界引起了广泛的关注。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，逐渐引起研究者的关注。研究者们已提出一些多图像加密方法。这些方法有的已被破译，有的安全性较弱，有的效率较低，有的加密图像幅数有限等问题，难以令人满意。
鉴于此，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，结合DNA编码和陈超混沌理论，设计了一种基于DNA编码和陈超混沌的多图像加密方法。该方法利用了DNA高速的信息处理能力和庞大的信息存储，以及陈超混沌良好的随机性和复杂性，有效地保护了多幅交互图像网络传输和存储的安全性。
发明内容
本发明的目的：针对现有多图像加密方法安全性弱或加密效率低等问题，提出一种基于DNA编码和陈超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编码和陈超混沌的多图像加密方法，加密步骤如下：
步骤1：设k = k 1×k 2，且k 1和k 2均为正整数，将k幅大小为m×n的原始交互图像I 1,I 2,…, I k 组成一幅大图像I B，并将其DNA编码成矩阵I BD；
步骤2：根据陈超混沌的系统参数a, b, c, d, k和初始值x 0, y 0, z 0, q 0，产生4个混沌序列X, Y, Z, Q；
步骤3：利用排序函数sort()对X, Y, Z, Q排序，生成4个新序列L X, L Y, L Z, L Q，以及对应的索引值序列F X, F Y, F Z, F Q；
步骤4：利用索引值序列F X和F Q，置乱矩阵I BD，得置乱后的矩阵为I BDS；
步骤5：计算混沌序列Z T和Y的乘积，其中Z T为Z的转置，可得混沌矩阵C，再C进行整数化处理，可得混沌图像C I，最后对C I进行DNA编码，可得DNA编码矩阵C D；
步骤6：对矩阵C D与I BDS进行DNA异或运算，实现像素值的扩散操作，可得矩阵I BDD；
步骤7：对I BDD进行DNA解码，可得大图像E BDD；
步骤8：按照像素位置和m×n的尺寸，对E BDD进行图像分割，可得k幅加密图像E 1, E 2,…, E k。
进一步地，所述步骤1中，将k幅大小为m×n的原始交互图像I 1, I 2,…, I k 组成一幅大图像I B为：
， (1)
任选一种DNA编码方式，对I B进行DNA编码，生成一个大小为mk 1×4nk 2的矩阵I BD。
进一步地，所述步骤2中，选定陈超混沌的系统参数a, b, c, d, k和初始值x 0,y 0, z 0, q 0，生成4个混沌序列为：
(2)。
进一步地，所述步骤3中，利用sort()对X, Y, Z, Q排序：
， (3)
其中，L X是X升序排列后得到的新序列，F X是L X的索引值序列，其它符号L Y, F Y, L Z,F Z,L Q, F Q与L X, F X含义类似。
进一步地，所述步骤4中，利用索引值序列F X和F Q，按如下方式置乱矩阵I BD，可得置乱后的矩阵I BDS，
I BDS(F Q(i), F X(j)) = I BD(i, j)，i=1, 2, …, m×k 1，j=1, 2, …, 4n×k 2 (4)。
进一步地，所述步骤5中，计算混沌序列Z T和Y的乘积，可得一个大小为mk 1×nk 2的矩阵C，再对C进行如下整数化处理，可得混沌图像C I：
C I(i, j)= mod(floor(C(i, j)×108), 256) ，i=1, 2, …, m×k 1，j=1, 2, …, n×k 2， (5)
最后任选一种DNA编码方式，对C I进行编码，可得一个大小为mk 1×4nk 2矩阵C D。
进一步地，所述步骤6中，对矩阵C D与I BDS按如下方式进行DNA异或运算，可得矩阵为I BDD，
I BDD= CD⊕I BDS (6)。
进一步地，所述步骤7中，任选一种DNA编码方式，对I BDD进行DNA解码操作，可得一幅新的大图像E BDD。
在解密过程中，利用相同的混沌序列和对应的DNA编码方式对加密图像E 1, E 2,…, E k进行解密，可得k幅原始交互图像。Bob的解密过程是Alice加密的逆过程。
有益效果：本发明针对现有的多图像加密方法安全性差或加密效率低等缺点，难以令人满意，提出了一种新的基于DNA编码和陈超混沌的多图像加密方法。主要贡献有以下2点：（1）在该方法中，采用了复杂度高和随机性好的陈超混沌系统，更能有效地增强方法的安全性；（2）在该方法中，利用了DNA高速的信息处理能力和庞大的信息存储。因此，提出的方法可同时加密多幅交互图像，且密钥空间大，密钥敏感性强，安全性高。
附图说明
图1：基于DNA编码和陈超混沌的多图像加密方法的加密流程图；
图2：原始交互图像；
图3：加密图像；
图4：基于DNA编码和陈超混沌的多图像加密方法的解密流程图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实例对本发明的实施过程进一步详细说明。
图1是本方法的加密流程图。
采用的编程软件为Matlab R2014b，选取图2所示的4幅大小为512×512的图像作为原始交互图像。采用本方法，对原始交互图像加密的具体过程描述如下：
1. 将4幅图像纵向排列产生大图像，并随机选取一种DNA编码方式，比如DNA编码方式1，对原始交互图像进行DNA编码；
2. Alice随机选取陈超混沌系统的控制参数和初始值分别为：a = 35，b = 7，c = 12，d = 3， k = 0.6和初始值x 0 = 8.036，y 0 = 0.999，z 0 = 16.372，q 0 = 12.228，产生4个混沌序列；
3. 对产生的混沌序列进行排序操作；
4. 利用混沌序列，进行像素位置置乱；
5. 利用混沌序列，产生混沌图像，并随机选取一种DNA编码方式，比如DNA编码方式1，对混沌图像进行DNA编码；
6.对大图像对应DNA矩阵的置乱结果和混沌图像对应的DNA矩阵，进行DNA异或运算，得到一个新的DNA矩阵；
7.任选一种DNA编码方式，比如DNA编码方式1，对上述结果矩阵进行DNA解码操作，得到一幅新的大图像；
8. 按照像素位置和512×512的尺寸，对上述大图像进行图像分割，从而产生4幅加密图像，如图3所示。
在解密过程中，利用相同的混沌序列和对应的DNA编码方式作用于4幅加密图像。Bob的解密过程是Alice加密的逆过程，图4是本方法的解密流程图。

Claims (9)

1.基于DNA编码和陈超混沌的多图像加密方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：设k = k 1×k 2，且k 1和k 2均为正整数，将k幅大小为m×n的原始交互图像I 1,I 2,…, I k 组成一幅大图像I B，并将其DNA编码成矩阵I BD；
步骤2：根据陈超混沌的系统参数a, b, c, d, k和初始值x 0, y 0, z 0, q 0，产生4个混沌序列X, Y, Z, Q；
步骤3：利用排序函数sort()对X, Y, Z, Q排序，生成4个新序列L X, L Y, L Z, L Q，以及对应的索引值序列F X, F Y, F Z, F Q；
步骤4：利用索引值序列F X和F Q，置乱矩阵I BD，得置乱后的矩阵为I BDS；
步骤5：计算混沌序列Z T和Y的乘积，其中Z T为Z的转置，可得混沌矩阵C，再C进行整数化处理，可得混沌图像C I，最后对C I进行DNA编码，可得DNA编码矩阵C D；
步骤6：对矩阵C D与I BDS进行DNA异或运算，实现像素值的扩散操作，可得矩阵I BDD；
步骤7：对I BDD进行DNA解码，可得大图像E BDD；
步骤8：按照像素位置和m×n的尺寸，对E BDD进行图像分割，可得k幅加密图像E 1, E 2,…, 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，将k幅大小为m×n的原始交互图像I 1, I 2,…, I k 组成一幅大图像I B为：
， (1)
任选一种DNA编码方式，对I B进行DNA编码，生成一个大小为mk 1×4nk 2的矩阵I BD。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2中，选定陈超混沌的系统参数a,b, c, d, k和初始值x 0, y 0, z 0, q 0，生成4个混沌序列为：
(2)。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3中，利用sort()对X, Y, Z, Q排序：
， (3)
其中，L X是X升序排列后得到的新序列，F X是L X的索引值序列，其它符号L Y, F Y, L Z,F Z,L Q, F Q与L X, F X含义类似。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤4中，利用索引值序列F X和F Q，按如下方式置乱矩阵I BD，可得置乱后的矩阵I BDS，
I BDS(F Q(i), F X(j)) = I BD(i, j)，i=1, 2, …, m×k 1，j=1, 2, …, 4n×k 2 (4)。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤5中，计算混沌序列Z T和Y的乘积，可得一个大小为mk 1×nk 2的矩阵C，再对C进行如下整数化处理，可得混沌图像C I：
C I(i, j)= mod(floor(C(i, j)×108), 256) ，i=1, 2, …, m×k 1，j=1, 2, …, n×k 2， (5)
最后任选一种DNA编码方式，对C I进行编码，可得一个大小为mk 1×4nk 2矩阵C D。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤6中，对矩阵C D与I BDS按如下方式进行DNA异或运算，可得矩阵为I BDD，
I BDD= CD⊕I BDS (6)。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤7中，任选一种DNA编码方式，对I BDD进行DNA解码操作，可得一幅新的大图像E BDD。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：解密过程是加密的逆过程。
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