CN112073171B - 基于混沌和dna编码的多音频加密方法 - Google Patents

Abstract

一种基于混沌和DNA编码的多音频加密方法，属于信息加密领域。目前，在网络上传递音频文件和用语音进行交流的活动日益频繁，为保护多个音频内容的安全性，本发明提出一种基于混沌和DNA编码的多音频加密方法。首先，对多个音频文件的音素矩阵进行整数化并进行顺序连接；其次，利用混沌序列对音素矩阵进行行和列置乱；再次，对音素矩阵和混沌序列进行DNA编码，并进行DNA异或运算；最后进行DNA解码、音频分割和音素小数化，得到加密音频。实验表明：该方法实现同时对多个音频文件的同步加密，加密效果较好，安全性高，高效。

Description

基于混沌和DNA编码的多音频加密方法

技术领域

本文涉及了一种音频加密方法，主要面对多个音频文件进行加密。

背景技术

近年来，随着智能手机的发展以及各种APP的出现，人们越来越依赖与QQ，微信等软件进行交流。同时，信息安全的问题也一直困扰着人们。信息泄露，恶意篡改等问题层出不穷，于是关于信息加密技术也越来越火爆。其中，音频加密是利用数字音频的矩阵特征，在音频的空间域，按照某种变换规则，改变音素的位置或者音素值，将原始音频的信息变得“杂乱无章”。多音频加密作为一种新的多媒体安全技术，具有高效、保密性强的特征，逐渐引起研究人员的关注。

音频加密主要包括音素置乱和音素扩散两种手段。其中音素置乱的目的是音素的位置；音素扩散的目的是改变音素的值。为提高音频音频加密的安全性和效率，保证音频的安全高效传输，利用混沌理论和多音频理论，设计了一种基于混沌和DNA编码的多音频加密方法。该方法利用了多音频文件的数据特征，以及混沌良好的随机性和复杂性，有效地保护了多个音频文件网络传输和存储的安全性。

发明内容

本发明的目的：针对现有单音频加密方法安全性弱的问题，提出一种基于混沌和DNA编码的多音频加密方法。

本发明的技术方案：为实现上述发明目的，采用的方案是基于混沌和DNA编码的多音频加密方法。

步骤1：音素整数化：令k个交互音频为A ¹, A ², …, A ^k，其大小为m×1，m是音素数目，1指音频文件为单声道；A ^j中元素范围为[-1, 1]，将所有元素加1，使其范围变为[0,2]，再乘上指定系数d，使得每个音素值均可用n个二进制位来表示，即

b _i ^j =(a _i ^j +1)×d，i=1, 2, …, m；j=1, 2, …, k， （1）

其中，a _i ^j ∈A ^j ，B ^j ={b _i ^j }为音素整数矩阵，可得k个m×1的音素整数矩阵B ¹, B ², …, B ^k ；

步骤2：混沌序列产生：随机选取初始值x ₀∈(0, 1)和控制参数p ₁∈(0, 0.5)，迭代公式（2）所示的分段线性混沌映射（Piecewise Linear Chaotic Map，PWLCM）m次，

， （2）

可产生一个混沌序列X ¹={x _i ¹}；类似地，随机选取初始值y ₀∈(0, 1), z ₀∈(0, 1)和控制参数p ₂∈(0, 0.5), p ₃∈(0, 0.5)，分别迭代和k和m×k次，可产生两个混沌序列Y ¹={y _j ¹}和Z ¹={z _i ¹}；

步骤3：混沌序列整数化：计算，

x _i ²=mod(floor(x _i ¹×10¹⁶), m)， （3）

y _j ²=mod(floor(y _j ¹×10¹⁶), k)， （4）

z _i ²=mod(floor(z _i ¹×10¹⁶), 2 ⁿ )， （5）

其中，mod( )和floor( )分别为取模和取整函数，x _i ¹∈X ¹，X ²={x _i ²}，y _j ¹∈Y ¹，Y ²={y _j ²}，z _i ¹∈Z ¹和Z ²={z _i ²}；

步骤4：音频组合：按照B ¹, B ², …, B ^k 的顺序，将其重塑成一个m×k的整数矩阵C；

步骤5：音素置乱：利用X ²和Y ²分别对C依次进行行置乱和列置乱，可得置乱结果E；

步骤6：DNA编码：将混沌序列Z ²转化成一个大小为m×k的混沌矩阵F；采用DNA编码规则，对E和F进行DNA编码，编码规则为A→00，T→11，C→01，G→10，可得对应的DNA编码矩阵E ^D 和F ^D ；

步骤7：音素扩散：计算，

G ^D =E ^D ⊕F ^D ， （6）

其中，⊕表示DNA异或运算，可得扩散结果G ^D ；

步骤8：DNA解码：采用DNA解码规则，对G ^D 进行DNA解码，解码规则为00→A，11→T，01→C，10→G，可得扩散结果H；

步骤9：音频分割：将H中元素按照列拆分，可得k个置乱结果为：P ¹, P ², …, P ^k ；

步骤10：音素小数化：对P ¹, P ², …, P ^k 中的元素都除以d，再减1，使其范围变为[-1, 1]，即

q _i ^j =p _i ^j /d-1，i=1, 2, …, m；j=1, 2, …, k， （7）

其中，p _i ^j ∈P ^j ，Q ^j ={q _i ^j }为音素矩阵；可得k个加密音频Q ¹, Q ², …, Q ^k 。

进一步地，所述步骤5中，行置乱指：若i（i=1, 2, …, m）为奇数行，则对C中第i行元素进行x _i ²位向左循环移位操作；若i为偶数行，则对C中第i行元素进行x _i ²位向右循环移位操作。

进一步地，所述步骤5中，列置乱指：若j（j=1, 2, …, k）为奇数列，则对C中第j列元素进行y _j ²位向上循环移位操作；若j为偶数列，则对C中第j列元素进行y _j ²位向下循环移位操作。

进一步地，所述步骤6中，DNA编码规则是：每个DNA序列包含了4种不同的脱氧核苷酸，它们的碱基分别是腺嘌呤（Adenine，简称A），胸腺嘧啶C（Cytosine，简称C），鸟嘌呤G（Guanine，简称G）和胞嘧啶T（Thymine，简称T）。如果每2位用一个核酸基表示，那么8位二进制序列就可表示为长度为4的DNA序列。这样便会有4！=24种DNA编码方法。但是，由于DNA互补规则的限制，即A和T是互补碱基对，C和G是互补碱基对，于是在这24种编码方式中仅剩下8种编码方法满足互补规则。在此采用的DNA编/解码规则为：A→00，T→11，G→10，C→01。

在解密过程中，利用相同的混沌序列和混沌矩阵对k个加密音频Q ¹, Q ², …, Q ^k 进行解密，可得原始音频；解密过程是加密的逆过程。

有益效果：本发明针对单音频加密方法安全性差的问题，提出一种基于混沌和DNA编码的多音频加密算法。主要贡献有：（1）实现多个音频的同步加密；（2）利用混沌序列实现了音素级置乱和扩散；（3）利用DNA异或运算实现音素扩散；（4）该方法利用了混沌的随机性和复杂性，提高了音频的加密效果。因此，提出的多音频加密方法具有高效、安全和加密效果良好的特征，可有效地保护多个音频文件网络传输和存储的安全性。

附图说明

图1：基于混沌和DNA编码的多音频加密流程图；

图2：原始音频的时域波形图；

图3：加密音频的时域波形图。

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 R2016b，选取5个大小为70000×1的音频文件作为原始音频。采用本方法，对原始音频加密的详细过程描述如下。

步骤1：音素整数化：令5个原始音频音素矩阵为A ¹, A ², …, A ⁵；对于每个音素矩阵按照公示（1）进行变换。其中指定系数d为10000，并用16位二进制表示。

步骤2：混沌序列产生：选取PWLCM的初始值z ₀ ¹=0.21和参数p ¹=0.19，迭代该映射70000次，可获得一个混沌序列X ¹={x _i ¹}₇₀₀₀₀；类似地，利用PWLCM的初始值z ₀ ²=0.23和参数p ²=0.37，迭代该映射5次，可得另外一个混沌序列Y ¹={y _i ¹} ₅；利用PWLCM的初始值z ₀ ³=0.35和参数p ³=0.48，迭代该映射350000次，可得另外一个混沌序列Z ¹={z _i ¹}₃₅₀₀₀₀。

步骤3：混沌序列整数化：按照公式（3）-（5）对X ¹、Y ¹、Z ¹三个混沌序列进行整数化。其中，m=70000、k=5、n=16。

步骤4：音素组合：按照A ¹, A ², …, A ⁵的顺序将其重新塑造成一个70000×5的整数矩阵C。

步骤5：音素置乱：对于音素矩阵的行，若i（i=1, 2, …, m）为奇数行，则对C中第i行元素进行x _i ²位向左循环移位操作；若i为偶数行，则对C中第i行元素进行x _i ²位向右循环移位操作；对于音素矩阵的列，若j（j=1, 2, …, k）为奇数列，则对C中第j列元素进行y _j ²位向上循环移位操作；若j为偶数列，则对C中第j列元素进行y _j ²位向下循环移位操作。

步骤6：DNA编码：将混沌序列Z ²转化成一个大小为70000×5的混沌矩阵F；采用DNA编码规则A→00，T→11，C→01，G→10，对E和F进行DNA编码，可得对应的DNA序列矩阵E ^D 和F ^D 。

步骤7：音素扩散：按照公式（6）进行异或操作，可得扩散结果G ^D 。

步骤8： DNA解码：采用DNA解码规则，对G ^D 进行DNA解码，解码规则为00→A，11→T，01→C，10→G，可得扩散结果H。

步骤9：音频分割：将H中元素按照列拆分，可得5个置乱结果为：P ¹, P ², …, P ⁵。

步骤10：音素小数化：对P ¹, P ², …, P ⁵ 中的元素都除以10000，再减1，使其范围变为[-1, 1]，即

q _i ^j =p _i ^j /d-1，i=1, 2, …, m；j=1, 2, …, 5， （8）

其中，p _i ^j ∈P ^j ，Q ^j ={q _i ^j }为音素矩阵；可得5个加密音频Q ¹, Q ², …, Q ⁵；它们的时域波形图，如图3所示。

在解密过程中，利用相同的混沌序列、混沌矩阵和对应的解密方法作用于加密音频，可得解密音频时域波形图同图2所示。解密过程是加密的逆过程。

Claims (1)

1.基于混沌和DNA编码的多音频加密方法，其特征在于，加密过程包括如下步骤：

步骤1：音素整数化：令k个交互音频为A ¹, A ², …, A ^k，其大小为m×1，m是音素数目，1指音频文件为单声道；A ^j中元素范围为[-1, 1]，将所有元素加1，使其范围变为[0, 2]，再乘上指定系数d，使得每个音素值均可用n个二进制位来表示，即

b _i ^j =(a _i ^j +1)×d，i=1, 2, …, m；j=1, 2, …, k， （1）

其中，a _i ^j ∈A ^j ，B ^j ={b _i ^j }为音素整数矩阵，可得k个m×1的音素整数矩阵B ¹, B ², …, B ^k ；

步骤2：混沌序列产生：随机选取初始值x ₀∈(0, 1)和控制参数p ₁∈(0, 0.5)，迭代公式（2）所示的分段线性混沌映射（Piecewise Linear Chaotic Map，PWLCM）m次，

， （2）

可产生一个混沌序列X ¹={x _i ¹}；类似地，随机选取初始值y ₀∈(0, 1), z ₀∈(0, 1)和控制参数p ₂∈(0, 0.5), p ₃∈(0, 0.5)，分别迭代k和m×k次，可产生两个混沌序列Y ¹={y _j ¹}和Z ¹={z _i ¹}；

步骤3：混沌序列整数化：计算，

x _i ²=mod(floor(x _i ¹×10¹⁶), m)， （3）

y _j ²=mod(floor(y _j ¹×10¹⁶), k)， （4）

z _i ²=mod(floor(z _i ¹×10¹⁶), 2 ⁿ )， （5）

其中，mod( )和floor( )分别为取模和取整函数，x _i ¹∈X ¹，X ²={x _i ²}，y _j ¹∈Y ¹，Y ²={y _j ²}，z _i ¹∈Z ¹和Z ²={z _i ²}；

步骤4：音频组合：按照B ¹, B ², …, B ^k 的顺序，将其重塑成一个m×k的整数矩阵C；

步骤5：音素置乱：利用X ²和Y ²分别对C依次进行行置乱和列置乱，可得置乱结果E；具体操作为：若i（i=1, 2, …, m）为奇数行，则对C中第i行元素进行x _i ²位向左循环移位操作；若i为偶数行，则对C中第i行元素进行x _i ²位向右循环移位操作；若j（j=1, 2, …, k）为奇数列，则对C中第j列元素进行y _j ²位向上循环移位操作；若j为偶数列，则对C中第j列元素进行y _j ²位向下循环移位操作；

步骤6：DNA编码：将混沌序列Z ²转化成一个大小为m×k的混沌矩阵F；采用DNA编码规则，对E和F进行DNA编码，编码规则为A→00，T→11，C→01，G→10，可得对应的DNA编码矩阵E ^D 和F ^D ；

步骤7：音素扩散：计算，

G ^D =E ^D ⊕F ^D ， （6）

其中，⊕表示DNA异或运算，可得扩散结果G ^D ；

步骤8：DNA解码：采用DNA解码规则，对G ^D 进行DNA解码，解码规则为00→A，11→T，01→C，10→G，可得扩散结果H；

步骤9：音频分割：将H中元素按照列拆分，可得k个置乱结果为：P ¹, P ², …, P ^k ；

步骤10：音素小数化：对P ¹, P ², …, P ^k 中的元素都除以d，再减1，使其范围变为[-1,1]，即

q _i ^j =p _i ^j /d-1，i=1, 2, …, m；j=1, 2, …, k， （7）

其中，p _i ^j ∈P ^j ，Q ^j ={q _i ^j }为音素矩阵；可得k个加密音频Q ¹, Q ², …, Q ^k 。

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