CN112583576A - 一种基于光混沌的闭环dna图像加密系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于光混沌的闭环DNA图像加密系统，包括与第一分束器连接的九个激光器；第一激光器与第一反射镜连接，第二激光器与第二分束器连接，第二激光器与第一码型转换器连接，第二分束器与第二反射镜连接，第二分束器还与第一光电检测器连接；第三激光器至第八激光器分别与对应的分束器、密钥生成器依次连接，密钥生成器均与块比特置乱器连接，块比特置乱器与图像输入设备连接，块比特置乱器还与DNA编码器连接，DNA编码器与闭环DNA运算器连接，第三激光器至第五激光器对应的密钥生成器均与闭环DNA运算器连接，闭环DNA运算器与第一码型转换器连接。本发明的混沌图像加密具有成本低、加密速度快、功耗低、保密性强等特点。
Description
技术领域
本发明属于光信息技术领域，具体涉及一种基于光混沌的闭环DNA图像加密系统。
背景技术
混沌是近几十年发展起来的一门科学，由于混沌系统既具有类似噪声的伪随机信号的特性，又对干扰具有鲁棒性的特点，因此混沌在保密通信、图像加密以及信号检测等方面都有着广阔的前景。
实现混沌图像加密的关键是混沌密钥的生成，混沌密钥的复杂度会直接影响数字图像的加密性能。利用光器件实现混沌图像加密，具有成本低、密钥空间大、性能稳定、保密性强等特点。但现有的混沌图像加密技术的安全性和稳定性还有待进一步改进。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供一种基于光混沌的闭环DNA图像加密系统。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于光混沌的闭环DNA图像加密系统，包括第一激光器、第二激光器、第三激光器、第四激光器、第五激光器、第六激光器、第七激光器、第八激光器和第九激光器；
第一激光器与第一反射镜连接，所有激光器均与第一分束器连接，第二激光器与第二分束器连接，第二激光器还与第一码型转换器连接，第二分束器与第二反射镜连接，第二分束器还与第一光电检测器连接；第三激光器至第八激光器分别与各自对应的分束器、密钥生成器依次连接，第二激光器至第八激光器对应的分束器分别与一反射镜连接；
第三激光器和第四激光器对应的密钥生成器均与块比特置乱器连接，块比特置乱器与图像输入设备连接，块比特置乱器还与DNA编码器连接，DNA编码器与闭环DNA运算器连接，第三激光器至第五激光器对应的密钥生成器均与闭环DNA运算器连接，闭环DNA运算器与第一码型转换器连接；
第七激光器和第八激光器对应的密钥生成器均与解块比特置乱器连接，解块比特置乱器与图像输出设备连接，解块比特置乱器还与解DNA编码器连接，解DNA编码器与解闭环DNA运算器连接，第六激光器至第八激光器对应的密钥生成器均与解闭环DNA运算器连接，解闭环DNA运算器与第二码型转换器连接；
第九激光器与第九分束器连接，第九分束器与第九反射镜连接，第九分束器与第二光电检测器连接；
第一光电检测器与减法器连接，减法器与第二光电检测器连接，减法器与低通滤波器连接，低通滤波器与第二码型转换器连接。
作为优选方案，所述第二激光器与第九激光器的参数设置相同，所述第三激光器与第八激光器的参数设置相同，第四激光器与第七激光器的参数设置相同，第五激光器与第六激光器的参数设置相同。
作为优选方案，所有激光器产生的信号波长范围为1500～1550.08nm，功率为10mW。
作为优选方案，所有激光器的耦合系数为0.5。
本发明的基于光混沌的闭环DNA图像加密系统的原理如下：第一激光器驱动第二激光器与第九激光器，第三激光器与第八激光器，第四激光器与第七激光器分别进行同步，第一激光器发出一束稳定的连续光，该光信号经由第一分束器进入第三激光器、第四激光器、第五激光器、第六激光器、第七激光器及第八激光器，这些激光器受到第一激光器产生的光信号驱动可以产生混沌光信号，并分别通过第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜及第八反射镜进一步产生更加复杂的混沌光信号然后分别输入到第一密钥生成器、第二密钥生成器、第三密钥生成器、第四密钥生成器、第五密钥生成器和第六密钥生成器；第一密钥生成器和第二密钥生成器输出的密钥与明文图像一起输入到块比特置乱器，由块比特置乱器输出的置乱图像经过DNA编码器后与第一密钥生成器、第二密钥生成器和第三密钥生成器输出的密钥一起输入到闭环DNA运算器中，闭环DNA运算器输出的加密图像经过第一码型转换器转换为二进制数字信息；第二激光器受到由第一激光器产生的光信号和第一码型转换器的数字信号驱动后产生混沌光信号，并经过第二反射镜进一步增加该混沌光信号的复杂性，然后通过光纤传输到接收端的第一光电检测器中；同时通过第一激光器产生的光信号驱动第九激光器产生混沌光信号，并将该混沌光信号传输到第二光电检测器中与第一光电检测器通过减法器进行减法运算，并通过低通滤波器对输出的信号进行滤波得到数字信号；数字信号经过第二码型转换器转换为加密图像信息；加密图像与第四密钥生成器、第五密钥生成器和第六密钥生成器生成的密钥一起输入到解闭环DNA运算器中；解闭环DNA运算器输出的DNA序列首先进入解DNA编码器进行解码得到置乱图像；DNA编码器输出的置乱图像与第六密钥生成器和第五密钥生成器生成的密钥输入到解块比特置乱器对置乱图像进行解置乱，就可以得到解密图像。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
本发明与以往光混沌图像加密系统不同的是，图像密钥由一个激光器驱动的三个激光器产生混沌信号产生，对明文图像进行分块比特置乱和闭环DNA运算扩散；
本发明利用混沌原理，在加密端和解密端生成密钥，通过可逆的分块比特置乱和闭环DNA加解密操作，对图像进行加密，同时通过混沌加密对图像信息进行传输增加了系统的保密性，通过对图像的加密和对加密图像信息的加密传输可以有效的防止图像信息泄露。
本发明的闭环DNA图像加密系统，能够抵抗多种针对加密图像的攻击，具有很好的保密性能。
附图说明
图1为本发明实施例的基于光混沌的闭环DNA图像加密系统的构架图；
图2为本发明实施例的闭环DNA运算示意图；
图3为本发明实施例的原始图像；
图4为本发明实施例的加密后图像以及灰度直方图；
图5为本发明实施例的解密后图像以及灰度直方图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步解释说明。
如图1所示，本发明实施例的基于光混沌的闭环DNA图像加密系统包括：第一激光器1-1，第二激光器1-2，第三激光器1-3，第四激光器1-4，第五激光器1-5，第六激光器1-6，第七激光器1-7，第八激光器1-8，第九激光器1-9，第一密钥生成器2-1，第二密钥生成器2-2，第三密钥生成器2-3，第四密钥生成器2-4，第五密钥生成器2-5，第六密钥生成器2-6，第一反射镜3-1，第二反射镜3-2，第三反射镜3-3，第四反射镜3-4，第五反射镜3-5，第六反射镜3-6，第七反射镜3-7，第八反射镜3-8和第九反射镜3-9，第一分束器4-1，第二分束器4-2，第三分束器4-3，第四分束器4-4，第五分束器4-5，第六分束器4-6，第七分束器4-7，第八分束器4-8，第九分束器4-9，第一光电检测器5-1，第二光电检测器5-2，低通滤波器6-1，第一块比特置乱器7-1，第一DNA编码器8-1，第一闭环DNA运算器9-1，第一解闭环DNA运算器10-1，第一解DNA编码器11-1，第一解块比特置乱器12-1，第一码型转换器13-1，第二码型转换器13-2，第一图像输入设备15-1，第一图像输出设备16-1，第一减法器17-1。
上述器件的具体连接关系如下：
第一反射镜的a1-1端口与第一激光器的b1-1端口相连接，第一激光器的b1-2端口与第一分束器的c1-1端口相连接。
第一分束器的c1-2端口与第二激光器的b2-1端口通过光纤相连接，第二激光器的b2-2端口与第二分束器的c2-1端口相连接，第二激光器的b2-3端口与第一码型转换器的j1-2端口相连接，第二分束器的c2-3端口与第二反射镜的a2-1端口相连接，第二分束器的c2-2端口与第一光电检测器的e1-1端口相连接。
第一分束器的c1-3端口与第三激光器的b3-1端口相连接，第三激光器的b3-2端口与第三分束器的c3-1端口相连接，第三分束器的c3-2端口与第三反射镜的a3-1端口相连接，第三分束器的c3-3端口与第一密钥生成器的d1-1端口相连接。
第一分束器的c1-4端口与第四激光器的b4-1端口相连接，第四激光器的b4-2端口与第四分束器的c4-1端口相连接，第四分束器的c4-2端口与第四反射镜的a4-1端口相连接，第四分束器的c4-3端口与第二密钥生成器的d1-2端口相连接。
第一分束器的c1-5端口与第五激光器的b5-1端口相连接，第五激光器的b5-2端口与第五分束器的c5-1端口相连接，第五分束器的c5-2端口与第五反射镜的a5-1端口相连接，第五分束器的c5-3端口与第三密钥生成器的d1-3端口相连接。
第一分束器的c1-6端口与第六激光器的b6-1端口相连接，第六激光器的b6-2端口与第六分束器的c6-1端口相连接，第六分束器的c6-2端口与第六反射镜的a6-1端口相连接，第六分束器的c6-3端口与第四密钥生成器的d1-4端口相连接。
第一分束器的c1-7端口与第七激光器的b7-1端口相连接，第七激光器的b7-2端口与第七分束器的c7-1端口相连接，第七分束器的c7-2端口与第七反射镜的a7-1端口相连接，第七分束器的c7-3端口与第五密钥生成器的d1-5端口相连接。
第一分束器的c1-8端口与第八激光器的b8-1端口相连接，第八激光器的b8-2端口与第八分束器的c8-1端口相连接，第八分束器的c8-2端口与第八反射镜的a8-1端口相连接，第八分束器的c8-3端口与第六密钥生成器的d1-6端口相连接。
第一分束器的c1-9端口与第九激光器的b9-1端口相连接，第九激光器的b9-2端口与第九分束器的c9-1端口相连接，第九分束器的c9-2端口与第九反射镜的a9-1端口相连接，第九分束器的c9-3端口通过光纤与第二光电检测器的e2-1端口相连接。
第一密钥生成器的d1-2端口与第一块比特置乱器的g1-1端口相连接，第二密钥生成器的d2-2端口与第一块比特置乱器的g1-2端口相连接，第一图像输入设备的k1-1端口与第一块比特置乱器的g1-4端口相连接，第一块比特置乱器的g1-3端口与第一DNA编码器的h1-1相连接，第一DNA编码器的h1-2端口与第一闭环DNA运算器的i1-1端口相连接；第一密钥生成器的d1-2端口与第一闭环DNA运算器的i1-2端口相连接，第二密钥生成器的d2-2端口与第一闭环DNA运算器的i1-3端口相连接，第三密钥生成器的d3-2端口与第一闭环DNA运算器的i1-4相连接，第一闭环DNA运算器的i1-5端口与第一码型转换器j1-1端口相连接。
第六密钥生成器的d6-2端口与第一解块比特置乱器的g2-1端口相连接，第五密钥生成器的d5-2端口与第一解块比特置乱器的g2-2端口相连接，第一图像输出设备的k1-1端口与第一解块比特置乱器的g1-4端口相连接，第一解块比特置乱器的g2-3端口与第一解DNA编码器的h2-1端口相连接，第一解DNA编码器的h2-2端口与第一解闭环DNA运算器的i2-1端口相连接，第六密钥生成器的d6-2端口与第一解闭环DNA运算器的i2-3端口相连接，第五密钥生成器的d5-2端口与第一解闭环DNA运算器的i2-2端口相连接，第四密钥生成器的d4-2与第一解闭环DNA运算器的i2-4端口相连接，第一解闭环DNA运算器的i2-5端口与第二码型转换器的j2-1端口相连接。
第一光电检测器的e1-2端口与第一减法器的f1-1端口相连接，第一减法器的f1-2端口与第二光电检测器e2-2端口相连接，第一减法器的f1-3端口与低通滤波器LPF的l1-1端口相连接，低通滤波器的l1-2端口与第二码型转换器的j2-2端口相连接。
其中，在第二激光器与第九激光器、第三激光器与第八激光器、第四激光器与第七激光器、第五激光器与第六激光器之间对应器件的参数分别完全一样。所有激光器产生的信号波长范围为1500～1550.08nm，功率为10mW。所有激光器的耦合系数均为0.5。
利用混沌原理，在加密端和解密端生成密钥，通过可逆的分块比特置乱和闭环DNA加解密操作，对图像进行加密，同时通过混沌延时隐藏对图像信息进行传输增加了系统的保密性，通过对图像的加密和对加密图像信息的加密传输可以有效的防止图像信息泄露。
本发明实施例的基于光混沌的闭环DNA图像加密系统的实现过程如下：
1、由第一激光器产生光信号，经过第一反射镜反射后与原始光信号一同进过分束器驱动其余的激光器进行同步。
2、光信号分别经过第三激光器、第四激光器、第五激光器、第六激光器、第七激光器和第八激光器后再次分别经过第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜和第七反射镜，输出更加复杂的混沌光信号并经过数字密钥生成器将各混沌光信号转化为数字密钥。
3、第一密钥生成器和第二密钥生成器输出的密钥与明文图像一起输入到分块比特置乱器，由分块比特置乱器输出的置乱图像经过DNA编码器后与第一密钥生成器、第二密钥生成器和第三密钥生成器输出的密钥一起输入到闭环DNA运算器中，如图2所示，运算过程具体可以参考现有技术。闭环DNA运算器输出的加密图像经过电光转换器转换为加密图像光信息。
4、第二激光器受到由第一激光器产生的光信号驱动后产生混沌光信号，并经过第一反射镜进一步增加该混沌光信号的复杂性，然后将该混沌光信号与加密图像光信息进行调制，然后通过光纤传输到接收端。同时通过第一激光器产生的光信号驱动第九激光器产生混沌光信号，通过该混沌光信号对接收到的光信息进行解调，从而得到加密图像光信息。
5、加密图像与第四密钥生成器、第五密钥生成器和第六密钥生成器生成的密钥一起输入到解闭环DNA运算器中。闭环DNA运算器输出的DNA序列首先进入解DNA编码器进行解码得到置乱图像。DNA编码器输出的置乱图像与第六密钥生成器和第五密钥生成器生成的密钥输入到解块比特置乱器对置乱图像进行解置乱得到解密图像。
如图3-5所示，可知本发明实施例的闭环DNA图像加密系统，具有很好的保密性能，能够抵抗多种针对加密图像的攻击，。
以上对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于光混沌的闭环DNA图像加密系统，其特征在于，包括第一激光器、第二激光器、第三激光器、第四激光器、第五激光器、第六激光器、第七激光器、第八激光器和第九激光器；
第一激光器与第一反射镜连接，所有激光器均与第一分束器连接，第二激光器与第二分束器连接，第二激光器还与第一码型转换器连接，第二分束器与第二反射镜连接，第二分束器还与第一光电检测器连接；第三激光器至第八激光器分别与各自对应的分束器、密钥生成器依次连接，第二激光器至第八激光器对应的分束器分别与一反射镜连接；
第三激光器和第四激光器对应的密钥生成器均与块比特置乱器连接，块比特置乱器与图像输入设备连接，块比特置乱器还与DNA编码器连接，DNA编码器与闭环DNA运算器连接，第三激光器至第五激光器对应的密钥生成器均与闭环DNA运算器连接，闭环DNA运算器与第一码型转换器连接；
第七激光器和第八激光器对应的密钥生成器均与解块比特置乱器连接，解块比特置乱器与图像输出设备连接，解块比特置乱器还与解DNA编码器连接，解DNA编码器与解闭环DNA运算器连接，第六激光器至第八激光器对应的密钥生成器均与解闭环DNA运算器连接，解闭环DNA运算器与第二码型转换器连接；
第九激光器与第九分束器连接，第九分束器与第九反射镜连接，第九分束器与第二光电检测器连接；
第一光电检测器与减法器连接，减法器与第二光电检测器连接，减法器与低通滤波器连接，低通滤波器与第二码型转换器连接。
2.如权利要求1所述的一种基于光混沌的闭环DNA图像加密系统，其特征在于，所述第二激光器与第九激光器的参数设置相同，第三激光器与第八激光器的参数设置相同，第四激光器与第七激光器的参数设置相同，第五激光器与第六激光器的参数设置相同。
3.如权利要求1所述的一种基于光混沌的闭环DNA图像加密系统，其特征在于，所有激光器产生的信号波长范围为1500～1550.08nm，功率为10mW。
4.如权利要求1所述的一种基于光混沌的闭环DNA图像加密系统，其特征在于，所有激光器的耦合系数为0.5。
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