基于混沌系统与插入—删除模型的图像加密方法技术方案

本发明专利技术涉及图像加密领域，设计了一种基于混沌系统与插入—删除模型的图像加密方法。该方法将汉明距离、汉明逆距离以及汉明补距离引入到混沌系统初始值的产生过程中；除此之外，该方法在加密图像和解密图像时，使用插入—删除模型置乱图像像素值的位置；最后，将DNA序列的异或操作应用于扩散图像的像素值。从模拟结果和安全分析可以得出，该方法具有良好的加密效果，并能抵抗入侵者的各种攻击。本发明专利技术着重解决的问题是将DNA计算中的插入—删除模型的基本思想应用于图像加密中。

【技术实现步骤摘要】
基于混沌系统与插入—删除模型的图像加密方法
本专利技术涉及混沌系统和插入—删除模型，具体讲的是用混沌系统与插入—删除模型对原始图像进行加密，其属于图像加密领域。
技术介绍
近年来，数字图像作为一种信息载体被人们广泛的应用在网络传输中。然而，由于网络的开放性和信息的共享性，攻击者很容易截获这些信息，为此人们采取了一系列措施保证图像传输的安全性，其中图像加密是一种最有效的方式。图像信息因其冗余性以及数据是二维的等特点，传统的文本加密方法如DES,AES,IDEA等已经不适用于对图像的加密。因此基于现代密码体制的图像加密技术、基于矩阵变换的图像加密技术、基于混沌的图像加密技术、基于秘密分存的图像加密技术和基于频域的图像加密技术相继出现。但是，随着并行计算机，云计算和量子计算机的快速发展，这些方法的安全性面临严峻的挑战。混沌系统具有对初始值敏感，遍历性，运动轨迹无规则等特性，并且与传统密码学有天然的联系，因此基于混沌的图像加密技术曾经受到学者的青睐，同时也产生了大量的混沌加密技术。但是，较小的密钥空间、较慢的加密速度以及较低的安全性依然是基于混沌的图像加密技术发展的瓶颈。DNA计算在密码学领域是最新发展起来的技术，1994年，Adleman演示了一种将DNA应用于解决七点哈密顿路径问题的概念验证方法。除此之外，DNA计算具有高度的并行计算能力和高存储密度，正好可以弥补基于混沌系统的图像加密技术的缺点，因此，研究者们将混沌系统与DNA计算相结合提出了许多加密算法。尽管一些基于上述的加密方法在一定程度上提高了图像传输过程中的安全性，但是这些算法关注的只是DNA序列的加运算、异或运算等基本的序列操作，而没有考虑生化反应中的具体模型。生化反应中的DNA计算模型包括剪接模型、粘贴模型、等同检测模型、插入—删除模型以及最小计算模型等，我们可以考虑将这些模型的基本思想引入到图像加密中，产生良好的加密效果。本文将插入—删除模型引入到图像的加密过程中。插入—删除模型的机理为：在一个单链的DNA序列中，通过生物酶以及加热与退火等生物操作技术，插入一段DNA片段或者删除一段单链的DNA片段。具体操作步骤如下所述。删除操作：假设数组第i-1,i,i+1个位置上的值分别为子序列u,y,v，欲在该数组中删除第i个位置上的子序列y，其方法步骤如下：1.将此数组放入一个试管N中,给试管N中加入单链DNA序列是x的补序列；2.给试管N施行退火操作，则与u，与v结合，并且被折叠；3.在试管N中加入DNA片段和有关的聚合酶，施行PCR扩增，可以得到完整的双链DNA分子；4.施行解链，得到两条单链，其中一条是删除子序列y后的DNA序列。插入操作：假设数组第i-1,i,i+1个位置上的值分别为子序列u,y,v，欲在该数组中的第i个位置上插入子序列y，其方法步骤如下：1.将此数组放入一个试管N中,给试管N中加入单链DNA序列2.给试管N施行退火操作，则与u，与v结合，并且被折叠；3.使用核算内切限制酶，将试管N中的双链切断；4.在试管N中加入DNA片段和有关的聚合酶，施行PCR扩增，可以得到完整的双链DNA分子；4.施行解链，得到两条单链，其中一条是插入子序列y后的DNA序列。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种基于混沌系统和插入—删除模型的图像加密方法，将混沌系统和插入—删除模型相结合置乱图像的像素位置，使得加密效果良好，从而能够抵抗入侵者的攻击。本专利技术所采用的技术方案为：基于混沌系统与插入—删除模型的图像加密方法，其将混沌映射产生的混沌序列和生化反应中的插入—删除模型相结合；其首先对原始图像进行DNA编码，然后利用Lorenz映射产生的混沌序列置乱由编码得到的DNA序列，接着用插入—删除模型再一次置乱DNA序列，最后利用Lorenz映射产生的混沌序列对得到的DNA序列矩阵进行扩散操作，最终对序列矩阵解码得到加密图像；其具体步骤如下：S1、采用DNA编码规则对原始图像进行编码得到DNA序列矩阵；S2、利用Lorenz混沌映射产生混沌序列(x,y,z)给定任意的初始值x0,y0,z0，计算步骤S1中得到的DNA序列矩阵的汉明距离、汉明逆距离和汉明补距离，并将其值化为0-1之间的小数，将得到的新的汉明距离、汉明逆距离和汉明补距离分别与x0,y0,z0相加，得到新的初始值x1,y1,z1；然后结合系统参数产生三条混沌序列(x,y,z)；S3、用混沌序列(x,y)置乱步骤S1中的DNA序列矩阵的值对混沌序列(x,y)向下取整，用新得到的序列置乱DNA序列矩阵的值；S4、用混沌序列(x,z)和插入—删除模型再一次置乱S3中的DNA序列矩阵的值；具体过程为：首先将步骤S3中的DNA序列矩阵分为大小相同的上下两部分；然后对这两部分进行相同的如下操作：把DNA序列矩阵的一列作为一个子序列，得到一个与序列矩阵列数大小相等的一维数组；利用Lorenz混沌映射产生一条与数组大小相同的0与1之间的混沌序列；若混沌序列第i个位置的值小于0.5，则使用删除操作把数组第i个位置上的元素删除，并把删除的元素使用插入操作插入到剩余数组的末端；否则不进行任何操作；最后把两部分合并成一个序列矩阵，操作即完成。S5、用混沌序列(y,z)和异或运算对步骤S4得到的DNA序列矩阵的值进行扩散操作。首先将矩阵序列分成大小相同的块，然后对混沌序列(y,z)向下取整，最后结合异或运算按块扩散DNA序列矩阵的值；S6、将步骤S5中获得的大小相同的块合并得到一个DNA序列矩阵，对其解码即可得到加密图像。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1、将生化反应中的插入—删除系统的基本思想引入到加密系统中，形成插入—删除模型。由于插入—删除系统是DNA计算模型中的一种，因此插入—删除系统具有巨大的并行计算能力和高存储密度，从而插入—删除模型也具有以上这些特性，使用此模型实现图像的加密具有更高的加密效率。2、本专利技术不仅考虑了混沌映射对初始值敏感等特性，而且还将插入—删除模型应用在加密过程中，效插入—删除模型以及混沌映射的优良特性能够使我们的加密算法有效的抵抗入侵者的攻击；保证了数字图像在传输时的安全高。附图说明图1DNA序列的8种编码、解码映射规则；图2DNA序列的异或操作；图3原始图像；图4加密图像；图5解密图像；图6原始图像的灰度直方图；图7加密图像的灰度直方图；图8原始图像水平方向的相关性；图9加密图像水平方向的相关性；图10本专利技术的结构简图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明。详细步骤如下所示：步骤1：对原始图像(见附图3)使用第2种编码规则进行DNA编码(见附图1)；步骤2：计算编码后的矩阵序列的汉明距离、汉明逆距离和汉明补距离，并将得到的值化成0-1之间的小数；将新得到的值分别与x0,y0,z0相加，得到新的初始值x1,y1,z1；在新的初始值和系统参数的条件下，产生三条混沌序列x,y,z；步骤3：向下取整混沌序列(x,y)，用得到的新序列置乱步骤S1中的DNA序列矩阵的值；步骤4：将插入—删除模型在加密过程中的应用与混沌序列(y,z)结合置换S3中的DNA序列矩阵的值；步骤5：将步骤4中得到的矩阵序列分成大小为4×4的块；向下取整混沌序列(x,z)，用得到的新序列和DNA序列的异或运本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于混沌系统与插入—删除模型的图像加密方法，其特征在于：其将混沌映射产生的混沌序列和生化反应中的插入—删除模型相结合；其首先对原始图像进行DNA编码，然后利用Lorenz映射产生的混沌序列置乱由编码得到的DNA序列，接着用插入—删除模型再一次置乱DNA序列，最后利用Lorenz映射产生的混沌序列对得到的DNA序列矩阵进行扩散操作，最终对序列矩阵解码得到加密图像。

【技术特征摘要】
1.基于混沌系统与插入—删除模型的图像加密方法，其特征在于：其将混沌映射产生的混沌序列和生化反应中的插入—删除模型相结合；其首先对原始图像进行DNA编码，然后利用Lorenz映射产生的混沌序列置乱由编码得到的DNA序列，接着用插入—删除模型再一次置乱DNA序列，最后利用Lorenz映射产生的混沌序列对得到的DNA序列矩阵进行扩散操作，最终对序列矩阵解码得到加密图像；加密方法的具体步骤如下：S1、采用DNA编码规则对原始图像进行编码得到DNA序列矩阵；S2、利用Lorenz混沌映射产生混沌序列(x,y,z)给定任意的初始值x0,y0,z0，计算步骤S1中得到的DNA序列矩阵的汉明距离、汉明逆距离和汉明补距离，并将其转换为0-1之间的小数，将得到的新的汉明距离、汉明逆距离和汉明补距离分别与x0,y0,z0相加，得到新的初始值x1,y1,z1；然后结合系统参数产生三条混沌序列(x,y,z)；S3、用混沌序列(x,y)置乱步骤S1中的DNA序列矩阵的值；对混沌序列(x,y)向下取整，用新得到的序列置乱DNA...

【专利技术属性】
技术研发人员：周昌军，牛红叶，王宾，张强，
申请(专利权)人：大连大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21