CN112182610B

CN112182610B - 一种图像加密方法、装置、设备及存储介质

Info

Publication number: CN112182610B
Application number: CN202011025714.XA
Authority: CN
Inventors: 熊建平; 朱喜顺; 马鲁娟; 夏未霞; 祝盖林; 吴建华
Original assignee: Shenzhen Polytechnic
Current assignee: Shenzhen Polytechnic
Priority date: 2020-09-25
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2023-05-23
Anticipated expiration: 2040-09-25
Also published as: CN112182610A

Abstract

本发明实施例公开了一种图像加密方法、装置、设备及存储介质。该方法包括：对明文图像进行灰度‑有限域映射得到第一矩阵；对所述第一矩阵进行初始置换得到第二矩阵；以预设变换矩阵对所述第二矩阵进行矩阵变换得到第三矩阵，所述预设变换矩阵基于置换多项式和预设密钥生成；基于所述预设密钥对所述第三矩阵进行DNA后置乱得到密文图像。本发明实施例采用了独特的加密方式：基于置换多项式和预设密钥进行加密，同时采用预设密钥参与DNA后置乱，该加密方法能够进一步保证图像加密的安全性，提高了密文图像的破解难度。

Description

一种图像加密方法、装置、设备及存储介质

技术领域

本发明涉及信息安全领域，尤其涉及一种图像加密方法、装置、设备及存储介质。

背景技术

信息安全在大数据时代尤其成为一个重要问题和研究热点，也催生出与之相关的大数据和信息安全产业。许多互联网大型企业等利用手机上的服务可以追踪用户的位置信息。一些知名社交网站被曝泄露千万级的用户数据。在如今的大数据时代，数据蕴藏的巨大价值和频繁的泄露事件提醒着人们需要关注的重大问题——信息安全。

图像是一种重要的传输媒介，许多大数据表现形式为图像，如地理遥感数据、云端图像数据库、跨机构医学图像数据库、图像视频大数据等等。虽然图像也可以看作一维数据流而使用传统的加密手段加密，但这个过程中忽略了图像本身的一些特性，比如自相似性、像素之间的相关性、大数据量、高冗余度、实时性要求高等特点。特别是数字图像因其生动直观的特点，是目前信息表现的一个重要手段，其安全性受到了广泛的关注，图像加密技术已经成为了信息安全领域的一个重要分支。本发明对于服务于深圳地方经济建设与社会发展，对于图像信息传输过程的信息安全，对于完善图像加密的理论和实践，均具有重要意义。

图像加密可以分别基于空域运算的加密，例如基于混沌或细胞自动机的，和基于变换域运算的加密，例如基于傅里叶变换、分数傅里叶变换、保实分数离散余弦变换的，或基于空域与变换域混合的加密方式。这些类的加密装置一般均具有线性性质，不利于抵抗已知明文和选择明文攻击。考虑到线性变换的局限性，许多学者提出了具有非线性变换的加密技术，例如基于分数梅林变换的非线性图像加密，保证了加密装置的非线性。但此类算法虽然有了非线性，但仍然是在复数域或实数域进行的，计算是基于浮点运算的，不可避免会出现有限精度数据表示所带来的舍入误差。

在加密数据传输时，数据还需要量化。显然这或多或少会带来图像的变质，这种图像变质，如果视觉上可以接受，在很多情况下是允许的。但在一些特定的应用中，图像质量的好坏仅凭主观感觉是不够的，例如医学图像存储、压缩、加密、传输的过程中，均不允许出现数学意义上的误差。

为了克服这个缺点，许多基于整数运算的变换，例如整数小波变换，或基于有限域运算的变换被提出并用于图像加密。在有限域上，因为元素的个数是有限的，自然可以用定点运算，而不是浮点运算，从而保证了没有运算的舍入误差。现有技术提出有限域分数傅里叶变换、有限域分数余弦和正弦变换并用于图像加密，这些变换和图像加密的一个共同的非常引人的特性就是基于有限域的运算避免了取整误差(或称舍入误差)，从而保证了解密图像相对于明文图像是严格无失真的。

目前应用于图像加密的技术手段已经较为稳定，容易被针对性破解、窃取，因此需要在图像加密方法中引入新的技术手段，以进一步提高图像加密的安全性和破解难度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种图像加密方法、装置、设备及存储介质，以在图像加密方法中引入新的技术手段，以进一步提高图像加密的安全性和破解难度。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种图像加密方法，该方法包括：

对明文图像进行灰度-有限域映射得到第一矩阵；

对所述第一矩阵进行初始置换得到第二矩阵；

以预设变换矩阵对所述第二矩阵进行矩阵变换得到第三矩阵，所述预设变换矩阵基于置换多项式和预设密钥生成；

基于所述预设密钥对所述第三矩阵进行DNA后置乱得到密文图像。

第二方面，本发明提供了一种图像加密装置，包括：

映射模块，用于对明文图像进行灰度-有限域映射得到第一矩阵；

初始置换模块，用于对所述第一矩阵进行初始置换得到第二矩阵；

矩阵变换模块，用于以预设变换矩阵对所述第二矩阵进行矩阵变换得到第三矩阵，所述预设变换矩阵基于置换多项式和预设密钥生成；

DNA后置乱模块，用于基于所述预设密钥对所述第三矩阵进行DNA后置乱得到密文图像。

第三方面，本发明提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有可在处理器运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如本发明任一实施例提供的的图像加密方法。

第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述程序指令当被执行时实现如本发明任一实施例提供的的图像加密方法。

同现有技术相比，本发明提供的图像加密方法，首先对明文图像进行灰度-有限域映射以及初始置换得到第二矩阵，通过独特的基于置换多项式和预设密钥对第二矩阵进行矩阵变换得到第三矩阵，最后对第三矩阵进行DNA后置乱得到密文图像，采用了独特的加密方式：基于置换多项式和预设密钥进行加密，同时采用预设密钥参与DNA后置乱，该加密方法能够进一步保证图像加密的安全性，提高了密文图像的破解难度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本申请的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的一种图像加密方法的流程图；

图2是本发明实施例二提供的图像加密方法的子流程图；

图3是本发明实施例二提供的图像加密方法的子流程图；

图4是本发明实施例二提供的图像加密方法的子流程图；

图5是本发明实施例二提供的图像加密方法的子流程图；

图6是本发明实施例二提供的DNA编码规则；

图7是本发明实施例二提供的DNA运算规则；

图8是本发明实施例二提供的图像加密方法的子流程图；

图9是本发明实施例三提供的图像加密装置的结构示意图；

图10是本发明实施例四提供的一种计算机设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合本申请实施例中的附图，对本申请实施中的技术方案进行清楚、完整的描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

此外，术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种方向、动作、步骤或元件等，但这些方向、动作、步骤或元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个方向、动作、步骤或元件与另一个方向、动作、步骤或元件区分。举例来说，在不脱离本发明的范围的情况下，可以将第一用例称为第二用例，且类似地，可将第二用例称为第一用例。第一用例和第二用例两者都是用例，但其不是同一用例。术语“第一”、“第二”等而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个特征的组合。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。需要说明的是，当一个部被称为“固定于”另一个部，它可以直接在另一个部上也可以存在居中的部。当一个部被认为是“连接”到另一个部，它可以是直接连接到另一个部或者可能同时存在居中部。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述，只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各步骤描述成顺序的处理，但是其中的许多步骤可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各步骤的顺序可以被重新安排。当其操作完成时处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。

实施例一

参见图1，本实施例提供了一种图像加密方法，可以应用于地理遥感图像、医学图像等图像的加密传输过程，具体可以由终端或服务器执行，也可以由终端和服务器之间交互完成，本实施例中以终端为例进行具体说明，如图1所示，该方法包括以下步骤：

S110、对明文图像进行灰度-有限域映射得到第一矩阵。

明文图像为待加密传输的图像，是数字图像，由一个一个的像素点构成，每个像素点存储的是对应的像素值，本实施例中明文图像的像素值范围为0-255，即明文图像为灰度图像，若实际需要加密传输的为彩色图像则可以将彩色图像先转换为灰度图像。有限域又称为伽罗瓦域，表示一个元素有限的由实数构成的域。对明文图像进行灰度-有限域映射就是将明文图像上每个像素点根据其像素值映射到有限域得到有限域中对应的一个元素，根据明文图像上像素点的位置完成像素点的一一映射后，可以得到与明文图像像素点位置对应的一个由有限域中元素构成的矩阵，本实施例中用于灰度-有限域映射的为预先存储的标准有限域，明文图像进行灰度-有限域映射得到的矩阵称为第一矩阵。

具体的，终端中存储有用于进行灰度-有限域映射的标准有限域，例如在8比特(256灰度级)的情况下，我们将图像的灰度值i映射到有限域

上：

i→ωⁱ

其中，ωⁱ为

上的对应的生成元(即有限域/>

上的元素)。

S120、对所述第一矩阵进行初始置换得到第二矩阵。

初始置换是按照规定的置换规则对第一矩阵中元素的位置进行调整变换，调整后的第一矩阵就是第二矩阵，此处所指的规定的置换规则为可以为预先设置好的，可以是即时生成的。示例性的，第一矩阵有64位元素，规定的置换规则为将第一矩阵中的第58位换到第1位，第50位换到第2位，……依此类推，第7位换到第64位，第一矩阵中的元素可以视为重新排序得到第二矩阵。

具体的，终端中存储有规定的置换规则，或设置有可以生成规定的置换规则的模块，在对明文图像进行进行灰度-有限域映射得到第一矩阵后，根据规定的置换规则对第一矩阵进行初始置换，得到置换后的第二矩阵。

S130、以预设变换矩阵对所述第二矩阵进行矩阵变换得到第三矩阵，所述预设变换矩阵基于置换多项式和预设密钥生成。

预设变换矩阵由预设密钥和预设的置换多项式生成，用于作用于第二矩阵以得到第三矩阵，这一步实际是使用预设密钥参与图像加密过程。其中，预设密钥可以为加密方和解密方约定好的密钥，置换多项式可以是预先设置好的，也可以是即时生成的。

具体的，在构建变换矩阵时首先需要构建一个和第二矩阵对应的正交矩阵(确保矩阵变换可以进行)，再利用预设密钥和预设的置换多项式对正交矩阵进行变换，得到预设变换矩阵。

终端在得到第二矩阵后，根据预设密钥和置换多项式构造预设变换矩阵，再使用预设变换矩阵对第二矩阵进行矩阵变换，变换后得到第三矩阵。

S140、基于所述预设密钥对所述第三矩阵进行DNA后置乱得到密文图像。

DNA后置乱是一种基于DNA编码和矩阵置乱的加密方法，即先对第三矩阵进行DNA编码，再对编码后的第三矩阵进行置乱，本实施例中，在对编码后的第三矩阵进行置乱时，使用预设密钥参与，以进一步提高加密的安全性。

具体的，脱氧核糖核酸(DeoxyriboNucleic Acid，DNA)是一种核酸，即生物细胞内含有的四种生物大分子之一。DNA携带有合成RNA和蛋白质所必需的遗传信息，是生物体发育和正常运作必不可少的生物大分子。DNA由脱氧核苷酸组成。脱氧核苷酸由碱基、脱氧核糖和磷酸构成。其中碱基有4种：腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)和胞嘧啶(C)。DNA双螺旋结构中，碱基之间存在一一对应的关系，叫做碱基互补配对原则。其中腺嘌呤和胸腺嘧啶(AT)配对，鸟嘌呤与胞嘧啶配对(GC)。我们知道，在二进制系统中，0和1总是互补的，则00和01，10和11也分别是互补的，因此可以根据互补情况可以设置DNA编码规则，再将第三矩阵中的元素转化为二进制，再根据DNA编码规则对转化后的第三矩阵进行编码，得到编码后的第三矩阵，基于预设密钥再构建一个用于置乱操作的置乱矩阵，再利用置乱矩阵对编码后的第三矩阵进行置乱，得到最终的密文图像。其实此时的密文图像实际是以矩阵形式存储的。

本实施例提供了一种图像加密方法，首先对明文图像进行灰度-有限域映射以及初始置换得到第二矩阵，通过独特的基于置换多项式和预设密钥对第二矩阵进行矩阵变换得到第三矩阵，最后对第三矩阵进行DNA后置乱得到密文图像，采用了独特的加密方式：基于置换多项式和预设密钥进行加密，同时采用预设密钥参与DNA后置乱，该加密方法能够进一步保证图像加密的安全性，提高了密文图像的破解难度。

经实际验证，本发明提供的图像加密方法得到的密文图像的直方图具有平坦特性，类似于均匀分布，而不管加密前图像呈现各式各样的灰度分布；其信息熵非常接近于理想值8比特；其直方图的方差均约为1000平方灰度，相比于加密前图像普遍为百万级的平方灰度大大减小；并且相邻像素相关性的绝对值均约为0.001的数量级，相比于加密前图像普遍的大于0.9的相邻像素相关性大大减小；相邻像素灰度二维直方图的分布集中分布在对角线附近；密文图像的NPCR和UACI的值分别大于或非常接近于理想值NPCRexpected(＝99.6094％)and UACIexpected(＝33.4635％)，表明抵御差分攻击效果良好。

实施例二

实施例二提供了一种图像加密方法，其可以在实施例一的基础上实现，对实施例一中的部分内容进行了具体的解释或举例，如以得到预设变换矩阵的具体过程，以及基于预设密钥对所述第三矩阵进行DNA后置乱得到密文图像的具体过程，具体包括：

如图2所示，步骤S130之前，还包括步骤S210-220：

S210、根据所述第二矩阵确定指定有限域，并在所述指定有限域上构建正交矩阵。

具体的，正交矩阵的构建方式有多种，本实施例中提供了两种，即步骤S210包括两种方式：

第一种为在一个实施例中为如图3所示的步骤S211-212：

S211、根据所述第二矩阵在确定指定有限域，并在所述指定有限域上确定迹函数。

S212、根据所述迹函数构建正交矩阵。

步骤S211-213位利用有限域上迹函数的性质构造正交变换矩阵的过程，示例性的，在有限域上，设m，n是两个正整数，其中2ⁿ等于正交矩阵的阶数，而正交矩阵的阶数可以根据第二矩阵确定，并且m|n，根据m和n确定指定有限域

和/>

则指定有限域上

的迹函数/>

定义为：

当p＝2，m＝1的时候，记为Tr(x)。且对于

上的所有元素满足，其中一半的元素的迹函数为0，另一半的迹函数为1；所有元素之和为0；任意的元素的偶数倍为0，奇数倍为本身等等。利用这些我们可以构造可逆的或者正交的变换矩阵。/>

例如，当n＝3时，在

上，设ω是它的一个生成元

Tr(1)＝1，Tr(ω³)＝Tr(ω⁵)＝Tr(ω⁶)＝ω³+ω⁵+ω⁶＝1，

Tr(0)＝0，Tr(ω)＝Tr(ω²)＝Tr(ω⁴)＝ω+ω²+ω⁴＝0。

由此我们构造一个8阶的正交矩阵C₁：

第二种为在一个替代实施例中如图4所示的步骤S213-214：

S213、根据所述第二矩阵确定指定有限域，并确定所述指定有限域上的待解方程。

S214、根据所述待解方程的解构建正交矩阵。

步骤S213-214为利用有限域上方程的解和对换构造正交变换矩阵的过程，示例性的，在有限域上，存在着一些这样的方程：

假设我们需要m阶的正交矩阵，就求出这个方程的一组解，利用解的对换相乘为零的性质，来构造正交变换矩阵。其中，正交矩阵的阶数根据第二矩阵确定，并将正交矩阵的阶数作为m，2ⁿ＝m，待解方程为有限域/>

上的方程，此处将有限域/>

称为指定有限域，可以根据第二矩阵确定。

例如，在当n＝3时，在

上，设ω是它的一个生成元，对于方程/>

a₁＝ω，a₂＝ω，a₃＝ω，a₄＝ω²，a₅＝ω³，a₆＝ω⁴，a₇＝ω⁵，a₈＝ω⁶是它的一组解，则可以得到正交矩阵C₂：

其中，其中n由正交矩阵的阶数确定，而正交矩阵的阶数可以根据第二矩阵确定，m等于正交矩阵的阶数。例如若正交矩阵的阶数为256，则n＝8，在有限域上

上构造方程并求解，根据解得到一个256×256大小的正交矩阵。

S220、基于所述正交矩阵引入置换多项式结合预设密钥变换得到预设变换矩阵。

在有限域

中，存在着一些单项置换多项式，当单项多项式的指数/>

(不可约的分数)的分子分母与2ⁿ-1是互素的，则这个单项式是置换的，根据这个性质，可以选择用满足条件的(0，255)范围内的有理数l作为参数，由数组s，t组成，可以由混沌装置或者生命游戏等控制生成。

另外，若f(x)是置换多项式，则

也均是置换多项式，那么的矩阵C中的元素可以用/>

来做置换，这个变换是可逆的，(α，β，s，t)作为参数组，以增大密钥空间，其中α，β，s，t就是预设密钥。

例如可逆的正交矩阵C₃：

引入置换多项式

数组s，t，且满足(s，t)＝1，且(s，2²-1)＝1，(t，2²-1)＝1，则C₃变换为预设变换矩阵C_f(s，t，α，β)：

具体的，本实施例中，如图5所示，步骤S140具体包括步骤S141-149：

S141、根据预设密钥构造第一随机序列和第二随机序列。

本实施例中采用2-D Logistic混沌映射产生随机序列，2-D Logistic混沌映射的伪随机特性更好，其表达式如下：

式中，x(n)，y(n)∈(0，1)，n＝0，1，2，…。当2.75＜μ₀₁，μ₀₂＜3.4，0.15＜γ₁＜0.21，0.13＜γ₁＜0.15时，二维Logistic映射表现出混沌行为，并且产生大量的取值范围在(0，1)之间的不相关的伪随机数，所有的数构成一个混沌序列。其中，μ₀₁，μ₀₂，γ₁，γ₂，x(0)，y(0)也是预设密钥。可以理解的是，α，β，s，t和μ₀₁，μ₀₂，γ₁，γ₂，x(0)，y(0)分别是预设密钥中的一部分，即预设密钥包括α，β，s，t和μ₀₁，μ₀₂，γ₁，γ₂，x(0)，y(0)，α，β，s，t用于生成预设变换矩阵，μ₀₁，μ₀₂，γ₁，γ₂，x(0)，y(0)用于进行DNA后置乱，为了在使用时便于区分这两部分密钥，本实施例中将用于生成预设变换矩阵的部分密钥称为第一密钥，将用于进行DNA后置乱的部分密钥称为第二密钥，二者都属于预设密钥。

一个随机序列生成过程为：

迭代二维Logistic映射M×N次，产生与明文图像大小对应的伪随机序列q：

q＝(floor{x₁，x₂，…，x_M×N}×10⁶)mod 2 56

以及序列{y₁，y₂，...，y_M×N}，序列{y₁，y₂，...，y_M×N}就是需要使用的随机序列，其中M和N对应明文图像的大小，也可以理解为第二矩阵的大小。

将两次随机产生的随机序列分别记为第一随机序列和第二随机序列，以在后续一次加密过程使用。可以理解的是实际上第一随机序列和第二随机序列的使用步骤是有先后顺序的，因此二者并非一定是同时产生的，可以按照使用顺序先后产生。

S142、基于所述第一随机序列生成第四矩阵。

例如第一随机序列为上述{y₁，y₂，...，y_M×N}，则可以得到一个M×N的矩阵，即第四矩阵。

S143、对所述第四矩阵按照预设的DNA编码规则进行编码得到第五矩阵，对所述第三矩阵按照预设的DNA编码规则进行编码得到第六矩阵。

第四矩阵和第三矩阵每一行的DNA编码规则基于Rule＝floor({y₁，y₂，...，y_M}*8)+1确定，不同的行有不同的编码规则。在二进制系统中，0和1总是互补的，则00和01，10和11也分别是互补的。因此，我们就可以根据不同的组合得到八种DNA编解码规则如图6所示给出了8行的DNA编码规则，图6中第一列表示编码后的数据，第2-9列表示编码前的二进制数据，例如第四矩阵或第三矩阵中，某一元素为193，其二进制表示为1100001，由于只有7位，末尾补一位0，则根据规则2，它可以编码为TAAG。

S144、使用所述第五矩阵按照预设的DNA运算规则对所述第六矩阵进行运算得到第七矩阵。

确定每行之间的DNA运算规则，3种运算规则详见表2至表4，具体的每行之间的DNA运算规则确定公式为Op＝floor({y_M+1，y_M+2，...，y_2*M}*3)+1。

本实施例中图像加密方法中每次实际使用的预设的DNA运算规则包括DNA序列加法、DNA序列减法和DNA序列异或三种运算规则中的至少一种。

如图7所示，本实施例提供的DNA运算规则包括：图7左所示的DNA序列加法、图7中所示的DNA序列减法和图7右所示的DNA序列异或。具体示例以图7左所示DNA序列加法为例：A加A为A，A加T为T，T加T为T，T加G为C。

S145、对所述第七矩阵按照预设的DNA编码规则进行解码得到第八矩阵。

第五矩阵和第六矩阵由于经DNA编码，大小都为4×M×N，第七矩阵大小也为4×M×N，对第七矩阵每一行上的元素进行DNA解码，将会得到M×N大小的第八矩阵。

S146、将所述第八矩阵旋转90度得到第十矩阵。

矩阵旋转用于将第八矩阵的行变成列，列变成行，以进行下一轮加密，这样保证行和列都进行过加密。

S147、基于所述第二随机序列生成第九矩阵，对所述第九矩阵按照预设的DNA编码规则进行编码得到第十一矩阵，对所述第十矩阵按照预设的DNA编码规则进行编码得到第十二矩阵。

S148、使用所述第十一矩阵按照预设的DNA运算规则对所述第十二矩阵进行运算得到第十三矩阵。

S149、对所述第十三矩阵按照预设的DNA编码规则进行解码，将解码结果作为密文图像。

步骤S147-179为步骤S143-145的重复进行，区别在于二者使用的矩阵不同，同样都是进行DNA编码和DNA运算，结束后得到行和列都加密过的第十三矩阵，对其进行解码得到最终加密完成的密文图像。

具体的，在一个实施例中，步骤S140之后还包括将密文图像发送给接收方，以及接收方对密文图像进行解密的过程，如图8所示，包括步骤S150-190：

S150、将所述加密图像通过预设信道传输给接收方。

S160、基于预设密钥对密文图像进行DNA逆置乱得到所述第三矩阵。

DNA逆置乱与DNA后置乱是对应的，用于反向解密DNA逆置乱的加密内容，其具体过程根据DNA逆置乱的具体过程确定，需要使用DNA后置乱中使用的第二密钥完成DNA逆置乱。

S170、以所述预设变换矩阵对所述第三矩阵进行逆矩阵变换得到所述第二矩阵。

预设变换矩阵为接收方根据第一密钥和置换多项式得到，以使用反推矩阵变换的加密过程，得到第二矩阵。

S180、对所述第二矩阵进行逆置换得到所述第一矩阵。

逆置换是初始置换的反推解密。

S190、对所述第一矩阵进行有限域-灰度逆映射得到解密图像。

有限域-灰度逆映射用于将第一矩阵中的元素映射为像素值，以根据第一矩阵和对应的像素值确定解密图像，即需要的明文图像。

本实施例提供的一种图像加密方法，进一步提供了预设变换矩阵的确定过程，以及DNA后置乱的具体过程，使用预设密钥中的第一密钥得到预设变换矩阵以对所述第二矩阵进行矩阵变换，使用预设密钥中的第二密钥对第三矩阵进行DNA后置乱得到密文图像，该图像加密方法引入置换多项式确定预设变换矩阵，扩大了密钥空间，进一步提高了密文图像的破解难度，利用DNA后置乱完成对行和列的双重编码运算加密，保证了微小的密钥变化导致解密结果完全不同，提高了加密传输的安全性。

实施例三

图9为本发明实施例三提供的一种图像加密装置300的结构示意图，如图9所述，该装置300包括：

映射模块310，用于对明文图像进行灰度-有限域映射得到第一矩阵。

初始置换模块320，用于对所述第一矩阵进行初始置换得到第二矩阵。

矩阵变换模块330，用于以预设变换矩阵对所述第二矩阵进行矩阵变换得到第三矩阵，所述预设变换矩阵基于置换多项式和预设密钥生成。

DNA后置乱模块340，用于基于所述预设密钥对所述第三矩阵进行DNA后置乱得到密文图像。

更具体的，在一实施例中，还包括正交矩阵构建模块和预设变换矩阵构建模块，其中：

正交矩阵构建模块，用于根据所述第二矩阵确定指定有限域，并在所述指定有限域上构建正交矩阵；

预设变换矩阵构建模块，用于基于所述正交矩阵引入置换多项式结合预设密钥变换得到预设变换矩阵。

更具体的，在一实施例中，正交矩阵构建模块具体用于：

根据所述第二矩阵在确定指定有限域，并在所述指定有限域上确定迹函数；

根据所述迹函数构建正交矩阵；

或，根据所述第二矩阵确定指定有限域，并确定所述指定有限域上的待解方程；

根据所述待解方程的解构建正交矩阵。

更具体的，在一实施例中，DNA后置乱模块340包括：

随机序列构造单元，用于根据预设密钥构造第一随机序列和第二随机序列；

矩阵生成单元，用于基于所述第一随机序列生成第四矩阵；

第一DNA编码单元，用于对所述第四矩阵按照预设的DNA编码规则进行编码得到第五矩阵，对所述第三矩阵按照预设的DNA编码规则进行编码得到第六矩阵；

第一DNA运算单元，用于使用所述第五矩阵按照预设的DNA运算规则对所述第六矩阵进行运算得到第七矩阵；

第一DNA解码单元，用于对所述第七矩阵按照预设的DNA编码规则进行解码得到第八矩阵；

旋转单元，用于将所述第八矩阵旋转90度得到第十矩阵；

第二DNA编码单元，用于基于所述第二随机序列生成第九矩阵，对所述第九矩阵按照预设的DNA编码规则进行编码得到第十一矩阵，对所述第十矩阵按照预设的DNA编码规则进行编码得到第十二矩阵；

第二DNA运算单元，用于使用所述第十一矩阵按照预设的DNA运算规则对所述第十二矩阵进行运算得到第十三矩阵；

第二DNA解码单元，用于对所述第十三矩阵按照预设的DNA编码规则进行解码，将解码结果作为密文图像。

更具体的，在一实施例中：所述预设的DNA运算规则包括DNA序列加法、DNA序列减法和DNA序列异或三种运算规则中的至少一种。

更具体的，在一实施例中：所述预设密钥包括第一密钥和第二密钥，所述第一密钥用于生成预设变换矩阵，所述第二密钥用于进行DNA后置乱。

更具体的，在一实施例中，该装置还包括：

传输模块，用于将所述加密图像通过预设信道传输给接收方；

DNA逆置乱模块，用于基于预设密钥对密文图像进行DNA逆置乱得到所述第三矩阵；

逆矩阵变换模块，用于以所述预设变换矩阵对所述第三矩阵进行逆矩阵变换得到所述第二矩阵；

逆置换模块，用于对所述第二矩阵进行逆置换得到所述第一矩阵；

逆映射模块，用于对所述第一矩阵进行有限域-灰度逆映射得到解密图像。

本实施例提供了一种图像加密装置，首先对明文图像进行灰度-有限域映射以及初始置换得到第二矩阵，通过独特的基于置换多项式和预设密钥对第二矩阵进行矩阵变换得到第三矩阵，最后对第三矩阵进行DNA后置乱得到密文图像，采用了独特的加密方式：基于置换多项式和预设密钥进行加密，同时采用预设密钥参与DNA后置乱，该加密方法能够进一步保证图像加密的安全性，提高了密文图像的破解难度。

实施例四

图10为本发明实施例四提供的一种可以实现图像加密方法的计算机设备400的结构示意图，如图10所示，该设备包括存储器410、处理器420，设备中处理器420的数量可以是一个或多个，图10中以一个处理器420为例；设备中的存储器410、处理器420可以通过总线或其他方式连接，图10中以通过总线连接为例。

存储器410作为一种计算机可读存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的图像加密方法对应的程序指令/模块(例如，图像加密装置中的映射模块310、初始置换模块320、矩阵变换模块330、DNA后置乱模块340)。处理器420通过运行存储在存储器410中的软件程序、指令以及模块，从而执行图像加密装置的各种功能应用以及数据处理，即实现上述的图像加密方法。

其中，所述处理器420用于运行存储在存储器410中的计算机可执行程序，以实现如下步骤：步骤S110、对明文图像进行灰度-有限域映射得到第一矩阵；步骤S120、对所述第一矩阵进行初始置换得到第二矩阵；步骤S130、以预设变换矩阵对所述第二矩阵进行矩阵变换得到第三矩阵，所述预设变换矩阵基于置换多项式和预设密钥生成；步骤S140、基于所述预设密钥对所述第三矩阵进行DNA后置乱得到密文图像。

当然，本发明实施例所提供的一种图像加密装置，该装置不限于如上所述的方法操作，还可以执行本发明实施例任意实施例所提供的图像加密方法中的相关操作。

存储器410可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作装置、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端的使用所创建的数据等。此外，存储器410可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实例中，存储器410可进一步包括相对于处理器420远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

实施例五

本发明实施例五还提供一种包括计算机可执行指令的存储介质，所述计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行一种图像加密方法，该图像加密方法包括：

对明文图像进行灰度-有限域映射得到第一矩阵；

对所述第一矩阵进行初始置换得到第二矩阵；

当然，本发明实施例所提供的一种包括计算机可执行指令的存储介质，其计算机可执行指令不限于如上所述的方法操作，还可以执行本发明任意实施例所提供的图像加密方法中的相关操作。

通过以上关于实施方式的描述，所述领域的技术人员可以清楚地了解到，本发明可借助软件及必需的通用硬件来实现，当然也可以通过硬件实现，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如计算机的软盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)、闪存(FLASH)、硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，设备，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

值得注意的是，上述授权装置的实施例中，所包括的各个单元和模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims

1.一种图像加密方法，其特征在于，包括：

对明文图像进行灰度-有限域映射得到第一矩阵；

对所述第一矩阵进行初始置换得到第二矩阵；

基于所述预设密钥对所述第三矩阵进行DNA后置乱得到密文图像；

所述预设变换矩阵对所述第二矩阵进行矩阵变换得到第三矩阵之前，还包括：

根据所述第二矩阵确定指定有限域，并在所述指定有限域上构建正交矩阵；

基于所述正交矩阵引入置换多项式结合预设密钥变换得到预设变换矩阵；

所述根据预设密钥和有限域构建正交矩阵，包括：

根据所述迹函数构建正交矩阵；

根据所述待解方程的解构建正交矩阵。

2.根据权利要求1所述的图像加密方法，其特征在于，所述基于所述预设密钥对所述第三矩阵进行DNA后置乱得到密文图像，包括：

根据预设密钥构造第一随机序列和第二随机序列；

基于所述第一随机序列生成第四矩阵；

对所述第四矩阵按照预设的DNA编码规则进行编码得到第五矩阵，对所述第三矩阵按照预设的DNA编码规则进行编码得到第六矩阵；

使用所述第五矩阵按照预设的DNA运算规则对所述第六矩阵进行运算得到第七矩阵；

对所述第七矩阵按照预设的DNA编码规则进行解码得到第八矩阵；

将所述第八矩阵旋转90度得到第十矩阵；

基于所述第二随机序列生成第九矩阵，对所述第九矩阵按照预设的DNA编码规则进行编码得到第十一矩阵，对所述第十矩阵按照预设的DNA编码规则进行编码得到第十二矩阵；

使用所述第十一矩阵按照预设的DNA运算规则对所述第十二矩阵进行运算得到第十三矩阵；

对所述第十三矩阵按照预设的DNA编码规则进行解码，将解码结果作为密文图像。

3.根据权利要求2所述的图像加密方法，其特征在于：

所述预设的DNA运算规则包括DNA序列加法、DNA序列减法和DNA序列异或三种运算规则中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的图像加密方法，其特征在于，所述基于所述预设密钥对所述第三矩阵进行DNA后置乱得到密文图像之后，还包括：

将所述加密图像通过预设信道传输给接收方；

基于预设密钥对密文图像进行DNA逆置乱得到所述第三矩阵；

以所述预设变换矩阵对所述第三矩阵进行逆矩阵变换得到所述第二矩阵；

对所述第二矩阵进行逆置换得到所述第一矩阵；

对所述第一矩阵进行有限域-灰度逆映射得到解密图像。

5.根据权利要求1所述的图像加密方法，其特征在于，所述预设密钥包括第一密钥和第二密钥，所述第一密钥用于生成预设变换矩阵，所述第二密钥用于进行DNA后置乱。

6.一种图像加密装置，其特征在于，包括：

预设变换矩阵构建模块，用于基于所述正交矩阵引入置换多项式结合预设密钥变换得到预设变换矩阵；

正交矩阵构建模块，具体用于：

根据所述迹函数构建正交矩阵；

根据所述待解方程的解构建正交矩阵；

7.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有可在处理器运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-5任意一项所述的图像加密方法。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述程序指令当被执行时，实现如权利要求1-5任意一项所述的图像加密方法。