CN113763493B - 输电线路图像数据加密和解密方法 - Google Patents

Abstract

一种输电线路图像数据加密方法，包括以下步骤：一、对原图像进行预处理和像素置乱得到第一加密图像；二、利用原图像生成用于对图像加密的哈希值密钥；三、基于所述密钥得到四条混沌序列；四、基于所述密钥，利用得到加密数字矩阵；五、对加密矩阵和第一加密图像进行DNA编码得到第一加密矩阵和第二加密图像；六、将第一加密矩阵和第二加密图像进行DNA加密运算并对运算结果进行DNA解码得到第三加密图像。

Description

输电线路图像数据加密和解密方法

技术领域

本发明涉及信息安全领域，更具体的涉及用于加密和解密输电线路图像的方法。

背景技术

数字图像是常见的一种多媒体形式，图像文件格式通常包括JPG、BMP以及GIF等。图像根据是否包括彩色信息可分为彩色图像和灰度图像，其中彩色图像是指可以使用红、绿、蓝三原色来表示旬个像素的颜色，而灰度图像是指旬个像素只有一个颜色，这类图像通常显示为从最暗黑色到最亮的白色的灰度。例如，每个像素通常使用8个比特来表示该像素的灰度值，则每个像素可以存在256个灰度级别。

电力系统的输电、配电网络是国家的重要设施，相关电力巡检数据的安全稳定传输是电力系统可靠运行的重要保障。随着无人机巡检技术的快速发展，其逐渐替代传统人工巡检成为电力巡检的主流方式。但是，由无人机巡检带来的海量图片数据传输工程量巨大，需要借助高效的5G网络进行数据实时传输。日益庞大的电力巡检数据使电力系统设施信息更加精细化，而在数据传输过程中面临非法窃取、黑客攻击等威胁，造成电力数据泄露与损毁，由此带来的电力安全问题不容忽视。

随着通信技术的发展，图像在不同设备之间被频繁传输，图像安全性已经成为一个关注热点，例如在图像共享、视频会议中。为了保证图像内容的安全性，需要采用计算机加密技术对图像进行加密。不同于传统的文本加密方式，输电线路图像具有数据内容大、结构复杂等特性，因而传统的文本加密方法并不适用于对输电线路图像进行加密。此外，现有的一些图像加密方法图像加密效率极低，需要花费大量的时间，并且加密的安全性不够，容易受到攻击或遭到破解。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于输电线路无人机电力巡检场景下的图像加密与解密方法。本发明通过使用超混沌系统与DNA编码相结合方式，对输电线路图像进行加密，不仅能够提高图像加密的效率，而且能够提高图像加密的安全性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种输电线路图像数据加密方法，包括以下步骤：

一、对原图像进行预处理和像素置乱得到第一加密图像；

二、利用原图像生成用于对图像加密的哈希值密钥；

三、基于所述密钥得到四条混沌序列；

四、基于所述密钥，利用得到加密数字矩阵；

五、对加密矩阵和第一加密图像进行DNA编码得到第一加密矩阵和第二加密图像；

六、将第一加密矩阵和第二加密图像进行DNA加密运算并对运算结果进行DNA解码得到第三加密图像；

优选的，所述对原图像进行预处理和像素置乱得到第一加密图像包括将所述原图像进行灰度处理，并调整大小为256×256；然后对所述原图像进行对角线像素提取并重组得到所述第一加密图像；

所述利用原图像生成用于对图像加密的哈希值密钥包括利用SHA-3算法，对所述原图像进行哈希值提取，得到的哈希值作为所述图像加密算法的密钥。

优选的，所述得到四条混沌序列包括利用所述哈希值密钥，作为Chen超混沌系统的输入初值，利用龙格-库塔微分求解方法对所述Chen超混沌系统进行求解，得到四条所述混沌序列；

所述得到加密数字矩阵包括使用所述SHA-3算法，对所述密钥进行迭代，八次以后得到八条长度为256的二进制序列，将该序列变为十进制得到八条长度为32的数字序列，接着对所述十进制序列进行重组得到16×16的加密矩阵。

优选的，所述加密矩阵和第一加密图像进行DNA编码得到第一加密矩阵和第二加密图像包括：

利用所述四条混沌序列的第一条混沌序列映射DNA编码规则，对所述第一加密图像进行DNA编码得到所述第二加密图像；利用所述四条混沌序列的第二条混沌序列映射DNA编码规则，对所述加密矩阵进行DNA编码得到所述第一加密矩阵。

优选的，所述第一加密矩阵和第二加密图像进行DNA加密运算并对运算结果进行DNA解码得到第三加密图像包括利用所述四条混沌序列的第三条混沌序列映射DNA运算规则，对所述第一加密矩阵和第二加密图像进行DNA运算，得到运算结果；利用所述四条混沌序列的第四条混沌序列映射DNA编码规则，对所述运算结果进行DNA解码，得到所述第三加密图像。

一种输电线路图像数据加密方法的解密方法，包括以下步骤：

一、获得所述第三加密图像和与所述加密图像相关的加密密钥序列；

二、根据加密密钥序列获得加密矩阵；

三、根据加密秘钥序列获得四条超混沌序列；

四、使用所述四条超混沌序列对所述加密矩阵进行DNA编码，得到第一加密矩阵；

五、使用所述四条超混沌序列对所述第三加密图像进行DNA编码，然后与所述第一加密矩阵进行DNA逆运算得到所述第二加密图像；

六、将所述第二加密图像利用所述四条超混沌序列进行DNA逆编码，得到所述第一加密图像；

七、将所述第一加密图像像素还原，并进行彩色处理，得到所述原图像。

优选的，所述根据所述加密密钥序列获得加密矩阵包括使用所述SHA-3算法，对所述密钥进行迭代，八次以后得到八条长度为256的二进制序列，将该序列变为十进制得到八条长度为32的数字序列，接着对所述十进制序列进行重组得到16×16的加密矩阵；所述加密秘钥序列获得四条超混沌序列包括利用所述哈希值密钥，作为Chen超混沌系统的输入初值，利用龙格-库塔微分求解方法对所述Chen超混沌系统进行求解，得到四条所述超混沌序列。

优选的，所述四条超混沌序列对所述加密矩阵进行DNA编码，得到所述第一加密矩阵包括利用所述四条混沌序列的第二条混沌序列映射DNA编码规则，对所述加密矩阵进行DNA编码得到所述第一加密矩阵。

优选的，所述使用所述四条超混沌序列对所述第三加密图像进行DNA编码，然后与所述第一加密矩阵进行DNA逆运算得到所述第二加密图像包括利用所述四条超混沌序列的第四条混沌序列映射DNA编码规则，对所述第三加密图像进行DNA编码，并利用所述四条超混沌序列的第三条混沌序列映射DNA运算规则，将所述DNA编码后的第三加密图像与所述第一加密矩阵进行DNA逆运算，得到所述第二加密矩阵。

优选的，所述第二加密图像利用所述四条超混沌序列进行DNA逆编码，得到所述第一加密图像包括利用所述四条超混沌序列的第一条混沌序列映射DNA编码规则，对所述第二加密图像进行DNA解码，得到所述第一加密图像；

所述第一加密图像像素还原，并进行彩色处理，得到所述原图像包括将所述第一加密图像按照从左到右，从上到下的顺序等分为256份子矩阵，然后将所述256份子矩阵还原为原本的对角线像素，得到灰色原图像，再将所述灰色原图像进行彩色处理，得到所述原图像。

本发明提供一种输电线路图像数据加密和解密方法，具有以下有益效果：

1、能够加密无人机所采集的重要输电线路图像数据，避免黑客攻击或是自然恶劣环境造成的数据丢失或是损坏，从而避免国网公司的利益损失。

2、该算法体积小，运算速度快，所需设备性能不高，能够与各种无人机前端设备相结合，实现数据的前端加密，后端解密，保证了数据加密的实时性，进一步加强了数据的安全性。

3、该算法使用SHA-3算法生成图像密钥，实现了一图一钥，在保证数据安全的前提下，降低了数据密钥储存难度，提高了数据加密解密的效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明用于输电线路图像加密和解密的方法的应用场景的示意图；

图2为本发明的图像加密方法的流程图；

图3为本发明的另一实施例的图像加密过程的示意图；

图4为本发明的图像解密方法的流程图；

图5为本发明的另一实施例的图像解密过程的示意图；

具体实施方式

如图1所示，无人机电力巡检数据传输流程包括无人机微型计算机120采集数据、图像数据加密130、图像数据回传140、图像数据接收150、图像数据解密160，线路人工检修170几个部分。由于数据回传部分使用开放式5G网络，因此受到黑客攻击，造成数据泄露的风险比较大。本公开的实施例在数据采集后加入数据加密，使用无人机的机载微型计算机对采集的每一张电力系统图片进行加密，再回传到地面接收站进行图像解密以及后续的图像处理，即使在数据回传过程中由于黑客攻击造成数据泄露，在没有攻破本文加密算法的前提下，黑客也无法得到原始电力系统图片，可将电力数据安全事故造成的损害降到最低。

图2为本发明的图像加密方法的流程图200，所述图像加密方法应当在无人机微型计算机120采集数据完成后执行。在对原图像进行预处理和像素置卵得到第一加密图像210，对原图像进行灰度处理，并调整大小为256×256；接着对所述原图像进行对角线像素提取并重组得到所述第一加密图像。在利用原图像生成用于对图像加密的哈希值密钥220，利用SHA-3算法，对所述原图像进行哈希值提取，得到的哈希值作为所述图像加密算法的密钥。在基于所述密钥得到四条混沌序列230，利用所述哈希值密钥，作为Chen超混沌系统的输入初值，利用龙格-库塔微分求解方法对所述Chen超混沌系统进行求解，得到四条所述混沌序列。

在基于所述密钥，利用得到加密数字矩阵240，使用所述SHA-3算法，对所述密钥进行迭代，八次以后得到八条长度为256的二进制序列，将该序列变为十进制得到八条长度为32的数字序列，接着对所述十进制序列进行重组得到16×16的加密矩阵。在对所述加密矩阵和第一加密图像进行DNA编码得到第一加密矩阵和第二加密图像250，利用所述四条混沌序列的第一条混沌序列映射DNA编码规则，对所述第一加密图像进行DNA编码得到所述第二加密图像；利用所述四条混沌序列的第二条混沌序列映射DNA编码规则，对所述加密矩阵进行DNA编码得到所述第一加密矩阵。在将所述第一加密矩阵和第二加密图像进行DNA加密运算并对运算结果进行DNA解码得到第三加密图像260，利用所述四条混沌序列的第三条混沌序列映射DNA运算规则，对所述第一加密矩阵和第二加密图像进行DNA运算，得到运算结果；利用所述四条混沌序列的第四条混沌序列映射DNA编码规则，对所述运算结果进行DNA解码，得到所述第三加密图像。

图3所示，在获得原始彩色图片315之后，对315进行灰度处理、补零操作，如公式(1)、(2)所示。灰度处理方法有最大值法、像素平均法、加权平均法三种，最大值法即是取红、绿、蓝三种像素值中最大的像素值作为灰度值；像素平均法即是红、绿、蓝三种像素值相加除以总数三得到的数值作为灰度值；加权平均法即是红、绿、蓝三种像素值各乘以一个权值然后相加，得出的值作为灰度值，三种权值分别为0.299、0.578、0.114。由于人眼对绿色敏感度最高、蓝色最低，所以本公开的另一实施例所采用的的加权平均法能够得出更加均衡的灰度图像。

由于本公开的另一实施例的图像加密方法要求输入图像的大小为256×256，而输电线路图像大小尺寸均不一致，因此需要将矩形图片进行像素值填充即补零操作，然后将补零完成变为正方形的图片进行缩放，得到所需尺寸。

Gray＝0.299×R+0.587×G+0.114×B (1)

式中：R、G、B分别为图像的红、绿、蓝像素值；N为图像的长高，为/>上取整。

接着将步骤灰度处理、补零操作315得到的灰度图像利用步骤SHA-3算法生成的哈希值秘钥330的SHA-3算法得到对应哈希值，作为加密算法的密钥，再利用步骤生成随机秘钥矩阵345将其迭代8次重组为大小16×16的矩阵O，并用步骤320对角线提取法将灰度图片分块并重组得到256个大小为16×16的重组矩阵,并将其按照顺序进行拼凑得到所述第一加密图像R′，如(3)、(4)。

式中：r_NN代表原图像经过灰度处理后的像素值，N＝1,2，…，256。

利用步骤330得到的哈希值作为密钥H₁₆，步骤360中用式(5)求出Chen超混沌矩阵的四个初值x₁(0),x₂(0),x₃(0),x₄(0)，将H₁₆按照字节划分，可以分为k₁,k₂,k₃,…,k₃₂，并在步骤365利用式(6)得到四个长度为256的混沌序列{X₁}，{X₂}，{X₃}，{X₄}。

其中，

k₁＝dec2bin(hex2dec('9e'))＝{'10011110'},……,……,……,k₂＝dec2bin(hex2dec('c4'))＝{'11000100'},……,……,……,……,k₃₁＝dec2bin(hex2dec('ee'))＝{'11101110'}，k₃₂＝dec2bin(hex2dec('c0'))＝{'11000000'}。

其中，式(6)的求解方式为龙格-库塔微分求解方试，公式如(7)。

式中：K代表由龙格-库塔方式解Chen超混沌方程所生成的混沌序列。

其中，其中，a、b、c、d和e代表混沌系统的控制参数，状态变量、控制变量，当a＝35、b＝7、c＝12、d＝3、e＝0.58时，该混沌系统处于超混沌状态。

将步骤Chen超混沌系统生成四个混沌序列365中得到的四个序列中{X₁}，{X₂}，{X₄}序列用式(8)处理为1-8中的数字，每个数字分别对应一种DNA编码或解码方式；{X₃}序列利用式(9)处理为0-3中的数字，每个数字分别对应一种DNA运算方式。利用式(10)将序列{X₁}，{X₂}，{X₃}，{X₄}处理为16×16大小的数字矩阵X₁,X₂,X₃,X₄。

X＝mod(round(X×10⁴),8)+1 (8)

X＝mod(round(X×10⁴),4) (9)

X＝reshape(X,16,16) (10)

式中：X代表待处理的数字序列，mod、round、reshape代表Matlab程序中的函数。

用步骤365中得到的X₁矩阵对步骤对角线提取分块置乱320中得到的第一加密图像在步骤对每个子块进行DNA编码325中进行DNA加密得到第二加密图像R",具体为：将第一加密图片R′的256个分块进行顺序编号，每个子矩阵的编号对应X₁矩阵一个相应位置的元素i，i∈(1,8)，进行DNA编码。同样的在步骤对加密矩阵进行DNA编码350中用X₂矩阵来加密矩阵O中的对应元素得到第一加密矩阵O'。

DNA加密算法是利用生物学上的DNA四种组成碱基A、T、G、C与二进制像素值在一定规则下进行替换以达到像素值置乱效果，其置乱效果好且时间消耗少，适用于海量数据场景的图像数据加密，其具体规则如表1所示。如式(4)所示的置乱图像矩阵R′，假设子矩阵R₁ ^dn的元素r₁₁＝123，X₁、X₄中元素值对应DNA编码规则为：

按照如上方法对置乱图像矩阵R′与加密矩阵O中的每一个元素进行DNA编码与解码。

表1：DNA编码规则

利用矩阵X₄将步骤对每个子块进行DNA编码325得到的第二加密图像R"和步骤对加密矩阵进行DNA编码350得到的第一加密矩阵O'在步骤370中进行DNA运算，得到大小为256×256的DNA加密矩阵Q。

接着在步骤380中利用矩阵X₄对加密矩阵Q进行DNA解码，得到第三加密图像390。

其中，每一种DNA运算的法则同样有8种，本公开的另一实施例的加密算法中，加法与减法为互逆运算，因此加密和解密时必须基于同一种DNA编码方式，而异或与同或的逆运算都为自身，在加密解密时可基于不同的DNA编码方式。表2、表3为对应第一种DNA编码规则的DNA加减、同或、异或运算规则。

表2 DNA编码方式1的加减规则

表3 DNA编码方式1的运算规则

图4为本发明的图像解密方法400的流程图。应当理解，所述图像加密方法在步骤图像数据解密160执行。获得所述第三加密图像和与所述加密图像相关的加密密钥序列410，根据所述加密密钥序列获得加密矩阵420，根据所述加密秘钥序列获得四条超混沌序列430，使用所述四条超混沌序列对所述加密矩阵进行DNA编码，得到所述第一加密矩阵440，使用所述四条超混沌序列对所述第三加密图像进行DNA编码，然后与所述第一加密矩阵进行DNA逆运算得到所述第二加密图像450，将所述第二加密图像利用所述四条超混沌序列进行DNA逆编码，得到所述第一加密图像460，将所述第一加密图像像素还原，并进行彩色处理，得到所述原图像470。

图5为本发明的另一实施例的图像解密方法500的流程图。

解密方法500为加密方法300的逆过程。在获取第三加密图像510之后，首先在步骤生成随机加密矩阵535利用密钥H₁₆生成加密矩阵O，在步骤对加密矩阵进行DNA编码540进行DNA加密得到第一加密矩阵O'；再在步骤对每个子块进行DNA编码520中将第三加密图片进行分块并DNA编码，步骤DNA逆运算560中每个分块与O'进行DNA逆运算后得到第二加密图片R"，再进行DNA解码得到对角线提取后的第一加密图像R′，编码运算规则选取与加密流程一致；最后将矩阵R′每一块的元素还原为相应对角线元素，并在步骤去除补零580中去除补零得到原始灰度图片590，解密完成。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种输电线路图像数据加密和解密方法，其特征在于，加密方法包括以下步骤：

一、对原图像进行预处理和像素置乱得到第一加密图像；

二、利用原图像生成用于对图像加密的哈希值密钥；

三、基于所述密钥得到四条混沌序列；

四、基于所述密钥，利用得到加密数字矩阵；

五、对加密矩阵和第一加密图像进行DNA编码得到第一加密矩阵和第二加密图像；

六、将第一加密矩阵和第二加密图像进行DNA加密运算并对运算结果进行DNA解码得到第三加密图像；

解密方法包括以下步骤：

一、获得所述第三加密图像和与所述加密图像相关的加密密钥序列；

二、根据加密密钥序列获得加密矩阵；

三、根据加密秘钥序列获得四条超混沌序列；

四、使用所述四条超混沌序列对所述加密矩阵进行DNA编码，得到第一加密矩阵；

五、使用所述四条超混沌序列对所述第三加密图像进行DNA编码，然后与所述第一加密矩阵进行DNA逆运算得到所述第二加密图像；

六、将所述第二加密图像利用所述四条超混沌序列进行DNA逆编码，得到所述第一加密图像；

七、将所述第一加密图像像素还原，并进行彩色处理，得到所述原图像；

所述加密矩阵和第一加密图像进行DNA编码得到第一加密矩阵和第二加密图像包括：

利用所述四条混沌序列的第一条混沌序列映射DNA编码规则，对所述第一加密图像进行DNA编码得到所述第二加密图像；利用所述四条混沌序列的第二条混沌序列映射DNA编码规则，对所述加密矩阵进行DNA编码得到所述第一加密矩阵；

所述第一加密矩阵和第二加密图像进行DNA加密运算并对运算结果进行DNA解码得到第三加密图像包括利用所述四条混沌序列的第三条混沌序列映射DNA运算规则，对所述第一加密矩阵和第二加密图像进行DNA运算，得到运算结果；利用所述四条混沌序列的第四条混沌序列映射DNA编码规则，对所述运算结果进行DNA解码，得到所述第三加密图像；

所述四条超混沌序列对所述加密矩阵进行DNA编码，得到所述第一加密矩阵包括利用所述四条混沌序列的第二条混沌序列映射DNA编码规则，对所述加密矩阵进行DNA编码得到所述第一加密矩阵；

所述使用所述四条超混沌序列对所述第三加密图像进行DNA编码，然后与所述第一加密矩阵进行DNA逆运算得到所述第二加密图像包括利用所述四条超混沌序列的第四条混沌序列映射DNA编码规则，对所述第三加密图像进行DNA编码，并利用所述四条超混沌序列的第三条混沌序列映射DNA运算规则，将所述DNA编码后的第三加密图像与所述第一加密矩阵进行DNA逆运算，得到所述第二加密矩阵。

2.根据权利要求1所述一种输电线路图像数据加密和解密方法，其特征在于，所述对原图像进行预处理和像素置乱得到第一加密图像包括将所述原图像进行灰度处理，并调整大小为256×256；然后对所述原图像进行对角线像素提取并重组得到所述第一加密图像；

所述利用原图像生成用于对图像加密的哈希值密钥包括利用SHA-3算法，对所述原图像进行哈希值提取，得到的哈希值作为所述图像加密算法的密钥。

3.根据权利要求1所述一种输电线路图像数据加密和解密方法，其特征在于，所述得到四条混沌序列包括利用所述哈希值密钥，作为Chen超混沌系统的输入初值，利用龙格-库塔微分求解方法对所述Chen超混沌系统进行求解，得到四条所述混沌序列；

所述得到加密数字矩阵包括使用SHA-3算法，对所述密钥进行迭代，八次以后得到八条长度为256的二进制序列，将该序列变为十进制得到八条长度为32的数字序列，接着对所述十进制序列进行重组得到16×16的加密矩阵。

4.根据权利要求1所述一种输电线路图像数据加密和解密方法，其特征在于，所述根据所述加密密钥序列获得加密矩阵包括使用SHA-3算法，对所述密钥进行迭代，八次以后得到八条长度为256的二进制序列，将该序列变为十进制得到八条长度为32的数字序列，接着对所述十进制序列进行重组得到16×16的加密矩阵；所述加密秘钥序列获得四条超混沌序列包括利用所述哈希值密钥，作为Chen超混沌系统的输入初值，利用龙格-库塔微分求解方法对所述Chen超混沌系统进行求解，得到四条所述超混沌序列。

5.根据权利要求1所述一种输电线路图像数据加密和解密方法，其特征在于，所述第二加密图像利用所述四条超混沌序列进行DNA逆编码，得到所述第一加密图像包括利用所述四条超混沌序列的第一条混沌序列映射DNA编码规则，对所述第二加密图像进行DNA解码，得到所述第一加密图像；

所述第一加密图像像素还原，并进行彩色处理，得到所述原图像包括将所述第一加密图像按照从左到右，从上到下的顺序等分为256份子矩阵，然后将所述256份子矩阵还原为原本的对角线像素，得到灰色原图像，再将所述灰色原图像进行彩色处理，得到所述原图像。