基于DNA置换规则和混沌系统的图像加密方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于DNA置换规则和混沌系统的图像加密方法。该方法包括：利用明文图像的哈希值和给定的外部密钥计算得到PWLCM混沌系统的控制参数和初始值；基于控制参数和初始值，对PWLCM混沌系统进行迭代生成三个长度为M

【技术实现步骤摘要】
基于DNA置换规则和混沌系统的图像加密方法


[0001]本专利技术涉及图像加密
，尤其涉及一种基于DNA置换规则和混沌系统的图像加密方法。

技术介绍

[0002]随着计算机技术和网络技术的迅速发展，越来越多的图像通过网络进行传输，但是网络的开放性和共享性对图像信息的安全性构成了巨大威胁。因此，保证图像传输的安全性就变得尤其重要，图像加密是保护图像安全的一种重要手段。由于图像本身具有信息量大、冗余度高和相邻像素相关性高的特点，使得数据加密标准(DES)、国际数据加密算法(IDEA)和改进的加密标准(AES)等传统的加密算法的效率很低而不能满足人们对图像进行实时加密的需求。混沌系统是一种非线性系统，具有遍历性、伪随机性、不可预测性和对初始值的高度敏感性等特性，更适用于图像加密。
[0003]目前，基于DNA编码和混沌系统的图像加密算法中，许多算法在编码阶段将明文图像所有像素指定一种编码规则，而在解码的时候采用其它编码规则，或是加密时候随机选择某一编码规则，在解码时候指定某一种解码规则，例如，Zhang等人提出基于DNA序列和超混沌系统的图像加密算法(QZhang，L Guo，XWei.AnovelimagefusionencryptionalgorithmbasedonDNAsequenceoperationandhyp er
‑
chaoticsystem，Optik124(2013)3596
–
600)。另外，在基于DNA编码加密算法中，大部分算法采用DNA加法规则、减法规则、DNA互补规则和异或规则，这些运算规则都是基于二进制的运算，容易被破解，使得加密算法的安全性不高，例如，Wang等人提出基于位级置换和DNA编码的超混沌图像加密算法(TWang，MHWang.Hyperchotic image encryptionalgorithmbasedonbit
‑
level permutation and DNAencoding，Optics and Laser Technology132(2020)106355)。还有一些算法密文图像仅与密钥相关，对于不同的明文图像有使用相同的加密密钥，这使得加密算法容易受到选择明文攻击，无法满足高安全性的要求。

技术实现思路

[0004]针对现有的图像加密方法容易遭受选择明文攻击、安全性能较差的问题，本专利技术提供一种基于DNA置换规则和混沌系统的图像加密方法。
[0005]本专利技术提供的基于DNA置换规则和混沌系统的图像加密方法，包括：
[0006]步骤1：利用明文图像的哈希值和给定的外部密钥计算出PWLCM混沌系统的控制参数和初始值；所述明文图像的大小为M
×
N，M和N分别表示明文图像的行数和列数；
[0007]步骤2：基于所述控制参数和所述初始值，对所述PWLCM混沌系统进行迭代生成三个长度为M
×
N的混沌序列X1、X2和X3，再继续迭代生成新的三个长度为M
×4×
N的混沌序列X1′
、X2′
和X3′
；
[0008]步骤3：根据所述混沌序列X1得到所述明文图像中每个像素对应的DNA编码规则，按照每个像素对应的DNA编码规则对所述明文图像进行DNA编码，得到DNA编码矩阵；
[0009]步骤4：根据所述混沌序列X1′
和X2′
得到所述DNA编码矩阵中每个DNA基元的DNA置换规则和置换次数，按照每个DNA基元对应的DNA置换规则和置换次数对所述DNA编码矩阵进行加密，得到DNA加密矩阵；
[0010]步骤5：根据所述混沌序列X3′
得到所述DNA加密矩阵中每4个DNA基元对应的DNA解码规则，按照每4个DNA基元对应的DNA解码规则对所述DNA加密矩阵进行DNA解码，得到所述明文图像对应的密文图像。
[0011]进一步地，步骤1具体包括：
[0012]步骤1.1：利用哈希函数SHA
‑
256生成明文图像的256位哈希值，并且按照每8位一组，将所述256位哈希值分为32组，记作：
[0013]H＝[h1,h2,...h
32
](1)
[0014]步骤1.2：按照公式(2)计算得到PWLCM混沌系统的控制参数和初始值：
[0015][0016]其中，(p1,x1),(p2,x2),(p3,x3)分别是3组PWLCM混沌系统的控制参数和初始值；(p
01
，x
01
)，(p
02
，x
02
)，(p
03
，x
03
)分别是给定的PWLCM混沌系统的外部密钥的控制参数和初始值；hex2dec表示将十六进制转换为十进制的转换函数。
[0017]进一步地，步骤3具体包括：
[0018]步骤3.1：按照公式(4)对所述混沌序列X1进行整数化和取模处理得到新的序列X
12
：
[0019]X
12
(i)＝mod(floor(X1(i)
×
108)，8)+1(4)
[0020]其中，i＝1，2，3，...，M
×
N，floor表示向下取整操作，mod表示取模运算；
[0021]步骤3.2：将所述序列X
12
转换为M
×
N的矩阵Y
12
，根据所述矩阵Y
12
中元素Y
12
(m，n)的取值从8种DNA编解码规则中选取对应的DNA编码规则对明文图像中的像素P(m，n)进行DNA编码，得到DNA编码矩阵，m＝1，2，3...，M，n＝1，2，3...，N。
[0022]进一步地，步骤4中，所述DNA置换规则如公式(5)所示：
[0023][0024]其中，r1至r6表示6个不同的DNA置换规则。
[0025]进一步地，步骤4中，按照公式(6)对所述DNA编码矩阵进行加密，得到DNA加密矩阵：
[0026][0027]其中，r
j
(A)、r
j
(C)、r
j
(G)、r
j
(T)分别表示DNA基元A、C、G、T在DNA置换规则r
j
中的置
换前DNA元素；r
j，k
(A)、r
j，k
(C)、r
j，k
(G)、r
j，k
(T)分别表示DNA基元A、C、G、T在DNA置换规则r
j
中经k次置换后得到的置换后DNA元素；index(r
j
(A))、index(r
j
(C))、index(r
j
(G))、index(r
j
(T))分别表示DNA基元A、C、G、T在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于DNA置换规则和混沌系统的图像加密方法，其特征在于，包括：步骤1：利用明文图像的哈希值和给定的外部密钥计算得到PWLCM混沌系统的控制参数和初始值；所述明文图像的大小为M
×
N，M和N分别表示明文图像的行数和列数；步骤2：基于所述控制参数和所述初始值，对所述PWLCM混沌系统进行迭代生成三个长度为M
×
N的混沌序列X1、X2和X3，再继续迭代生成新的三个长度为M
×4×
N的混沌序列X1′
、X2′
和X3′
；步骤3：根据所述混沌序列X1得到所述明文图像中每个像素对应的DNA编码规则，按照每个像素对应的DNA编码规则对所述明文图像进行DNA编码，得到DNA编码矩阵；步骤4：根据所述混沌序列X1′
和X2′
得到所述DNA编码矩阵中每个DNA基元的DNA置换规则和置换次数，按照每个DNA基元对应的DNA置换规则和置换次数对所述DNA编码矩阵进行加密，得到DNA加密矩阵；步骤5：根据所述混沌序列X3′
得到所述DNA加密矩阵中每4个DNA基元对应的DNA解码规则，按照每4个DNA基元对应的DNA解码规则对所述DNA加密矩阵进行DNA解码，得到所述明文图像对应的密文图像。2.根据权利要求1所述的基于DNA置换规则和混沌系统的图像加密方法，其特征在于，步骤1具体包括：步骤1.1：利用哈希函数SHA
‑
256生成明文图像的256位哈希值，并且按照每8位一组，将所述256位哈希值分为32组，记作：H＝[h1，h2，...h
32
] (1)步骤1.2：按照公式(2)计算得到PWLCM混沌系统的控制参数和初始值：其中，(p1，x1)，(p2，x2)，(p3，x3)分别是3组PWLCM混沌系统的控制参数和初始值；(p
01
，x
01
)，(p
02
，x
02
)，(p
03
，x
03
)分别是给定的PWLCM混沌系统的外部密钥的控制参数和初始值；hex2dec表示将十六进制转换为十进制的转换函数。3.根据权利要求1所述的基于DNA置换规则和混沌系统的图像加密方法，其特征在于，步骤3具体包括：步骤3.1：按照公式(4)对所述混沌序列X1进行整数化和取模处理得到新的序列X
12
：X
12
(i)＝mod(floor(X1(i)
×
108)，8)+1 (4)其中，i＝1，2，3，...，M
×
N，floor表示向下取整操作，mod表示取模运算；步骤3.2：将所述序列X
12
转换为M
×
N的矩阵Y
12
，根据所述矩阵Y
12
中元素Y
12
(m，n)的取值从8种DNA编解码规则中选取对应的DNA编码规则对明文图像中的像素P(m，n)进行DNA编码，得到DNA编码矩阵，m＝1，2，3...，M，n＝1，2，3...，N。4.根据权利要求1所述的基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：范素娟，汪珂，田军锋，陈珂珂，鲁祎，
申请(专利权)人：河南大学，
类型：发明
国别省市：