基于剪接模型和超混沌系統(tǒng)的圖像加密方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及基于剪接模型和超混沌系統(tǒng)的圖像加密方法，具體講的是涉及用四進(jìn) 制編碼和剪接模型對(duì)原始圖像進(jìn)行加密的方法，其屬于圖像加密領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著數(shù)字圖像作為一種信息載體在網(wǎng)絡(luò)中廣泛的被使用，保護(hù)數(shù)字圖像信息的安 全已經(jīng)變得越來(lái)越重要。圖像加密是保護(hù)圖像信息最有效的方式，研宄者們也已經(jīng)提出了 許多圖像加密技術(shù)?；煦缦到y(tǒng)對(duì)初始值敏感以及DNA計(jì)算具有高度并行計(jì)算能力和高存儲(chǔ) 密度等特點(diǎn)，因此基于混沌系統(tǒng)和DNA計(jì)算的圖像加密技術(shù)受到人們的青睞。
[0003] 混沌系統(tǒng)的特性與天然的密碼學(xué)有天然的聯(lián)系，因此自從混沌系統(tǒng)在1989年第 一次被提出，人們就開(kāi)始關(guān)注將混沌系統(tǒng)引入到圖像加密過(guò)程中。其中大部分的加密算法 是基于一維混沌、二維混沌、高煒混沌以及超混沌系統(tǒng)的。但是基于混沌系統(tǒng)的圖像加密技 術(shù)關(guān)注的是用DNA序列實(shí)現(xiàn)圖像加密，因此這種加密技術(shù)很容易被攻擊者攻破。
[0004] DNA計(jì)算的出現(xiàn)讓人們意識(shí)到可以將其應(yīng)用在加密過(guò)程中?；贒NA計(jì)算的圖像 加密技術(shù)就是將DNA作為信息載體，現(xiàn)代生物技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)工具的技術(shù)。起初的加密技術(shù) 關(guān)注的更多的是DNA計(jì)算本身，但是實(shí)現(xiàn)DNA計(jì)算中的生化反應(yīng)需要良好的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，現(xiàn) 如今的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境是不能滿足的，因此早期的那些加密技術(shù)只是理論上具有可行性，實(shí)際 操作是很難實(shí)現(xiàn)的，難以應(yīng)用于具體的圖像加密傳輸過(guò)程中。為此人們逐漸開(kāi)始將DNA序 列操作的基本原理引入到加密技術(shù)中，這種加密技術(shù)不需要良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，因此在實(shí)際 操作中是可行的。但是隨著并行計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)以及云計(jì)算的發(fā)展，這種技術(shù)可能會(huì)在 有限步的操作后被攻擊者攻破，為此基于DNA序列操作的加密技術(shù)仍然難以滿足人們的需 要。隨著人們對(duì)DNA計(jì)算的研宄，一些生物模型被研宄者提出，雖然這些模型需要在實(shí)驗(yàn)室 環(huán)境下才能實(shí)現(xiàn)，但是研宄者們將模型的基本思想提取出來(lái)應(yīng)用在圖像加密中。這種技術(shù) 是很復(fù)雜的，運(yùn)算量也很大，所以這種加密技術(shù)的效率很低。
[0005] 以往的加密算法更多的是用二進(jìn)制表示圖像信息，由于編碼必須滿足堿基互補(bǔ)配 對(duì)原則，DNA編碼受到限制。同時(shí)，由于圖像信息需要先轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制，因此編碼的速度比 較慢。為此，本文提出了基于超混沌系統(tǒng)和剪接模型的圖像加密技術(shù)。在本技術(shù)中，利用四 進(jìn)制將圖像拆分成四部分，然后對(duì)每一部分分別進(jìn)行操作。同時(shí)，不但用DNA序列操作置亂 圖像的像素值，而且還將剪接模型引入到該技術(shù)中。剪接模型的機(jī)理為：
[0006] 假定有兩個(gè)字符串 X = X1U1U2X2, y = Y1U3U4Y2，在規(guī)貝丨J r = U1SuJu3Iiu4下，將（X 轉(zhuǎn)換為（X1U1Uj2J1U3U 2X2)的操作如附圖5所示。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 鑒于現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提出一種基于剪接模型和超混沌系 統(tǒng)的圖像加密方法，將混沌序列和剪接模型結(jié)合置亂圖像的像素位置，使得加密效果良好， 從而加密方法可以有效地抵抗入侵者的攻擊。
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為基于剪接模型和超混沌系統(tǒng)的圖像 加密方法，其將混沌序列和剪接模型相結(jié)合對(duì)原始圖像進(jìn)行操作；利用十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成四進(jìn) 制的方式將原始圖像拆分成四部分，然后根據(jù)編碼規(guī)則對(duì)這四部分分別進(jìn)行編碼得到DNA 序列矩陣；用混沌系統(tǒng)產(chǎn)生的混沌序列置亂DNA序列矩陣的值；用DNA序列的加法操作在 四個(gè)DNA序列矩陣之間操作；將每個(gè)DNA序列矩陣的一列作為一個(gè)子序列，然后用混沌序列 置亂這些子序列；根據(jù)解碼規(guī)則分別解碼得到的四個(gè)DNA序列矩陣，然后利用四進(jìn)制轉(zhuǎn)換 成十進(jìn)制合并得到的四個(gè)矩陣即可得到加密圖像；其具體步驟如下：
[0009] S1、利用十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成四進(jìn)制的方式將原始圖像拆分成四部分，每一部分用矩陣 表示分別為RA, RB, RC，RD ;
[0010] S2、用DNA編碼規(guī)則將RA, RB, RC，RD編碼成DNA序列矩陣EA，EB，EC, ED ;
[0011] S3、利用Chen' s超混純映射產(chǎn)生混純序列（X，y, Z, q)
[0012] 給定任意的初始密鑰，并且計(jì)算原始圖像的所有像素值之和；將初始密鑰和所有 像素值之和相加作為加密密鑰；將加密密鑰平均分成四部分作為混沌映射的初始值；在初 始值和系統(tǒng)參數(shù)的條件下產(chǎn)生四條混沌序列（x，y，z，q);
[0013] S4、對(duì)步驟S3中的混沌序列使用函數(shù)sort進(jìn)行排序，根據(jù)排序后的混沌序列置亂 EA, EB, EC, ED 得到 DNA 序列矩陣 CA, CB, CC, CD ;
[0014] S5、對(duì)步驟S3中的混沌序列按照步驟S4中的方式排序，根據(jù)排序后的混沌序列和 DNA序列的加法操作擴(kuò)散CA, CB，CC，CD得到DNA序列矩陣SA，SB，SC, SD。
[0015] S6、分別將SA，SB，SC, SD的一列作為一個(gè)子序列得到四個(gè)一維數(shù)組，利用剪接操 作置亂這四個(gè)一維數(shù)組，得到DNA序列矩陣MA，MB, MC，MD ;
[0016] S7、利用DNA解碼規(guī)則解碼步驟S6中的四個(gè)DNA序列矩陣，然后利用四進(jìn)制轉(zhuǎn)換 成十進(jìn)制將解碼后的四個(gè)矩陣合并成一個(gè)矩陣，即得到加密圖像。
[0017] 所述步驟Sl中的十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成四進(jìn)制的方式如下：一個(gè)正整數(shù)X可以用N個(gè)比X 小的數(shù)Im 1, m2, ...，η%}表示，其具體描述為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于剪接模型和超混沌系統(tǒng)的圖像加密方法，其特征在于：其將超混沌系統(tǒng)和剪接 模型相結(jié)合對(duì)原始圖像進(jìn)行操作；其利用十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成四進(jìn)制的方式將原始圖像拆分成四 部分，然后根據(jù)編碼規(guī)則對(duì)四部分分別進(jìn)行編碼得到DNA序列矩陣；用混沌系統(tǒng)產(chǎn)生的混 沌序列置亂DNA序列矩陣的值；用DNA序列的加法操作在四個(gè)DNA序列矩陣之間操作；將每 個(gè)DNA序列矩陣的一列作為一個(gè)子序列，然后用混沌序列置亂這些子序列；根據(jù)解碼規(guī)則 分別解碼得到的四個(gè)DNA序列矩陣，然后利用四進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制的方式合并得到的四個(gè) 矩陣即可得到加密圖像；其具體過(guò)程如下： 51、 利用十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成四進(jìn)制的方式將原始圖像拆分成四部分，每一部分用矩陣表示 分別為 RA, RB, RC，RD ; 52、 用DNA編碼規(guī)則將RA, RB, RC，RD編碼成DNA序列矩陣EA，EB，EC, ED ; 53、 利用Chen' s超混純映射產(chǎn)生混純序列（X，y, Z, q) 給定任意的初始密鑰，并且計(jì)算原始圖像的所有像素值之和；將初始密鑰和所有像素 值之和相加作為加密密鑰；將加密密鑰平均分成四部分作為混沌映射的初始值；在初始值 和系統(tǒng)參數(shù)的條件下產(chǎn)生四條混沌序列（x，y，z，q); 54、 對(duì)步驟S3中的混沌序列使用函數(shù)sort進(jìn)行排序，根據(jù)排序后的混沌序列置亂 EA, EB, EC, ED 得到 DNA 序列矩陣 CA, CB, CC, CD ; 55、 對(duì)步驟S3中的混沌序列按照步驟S4中的方式排序，根據(jù)排序后的混沌序列和DNA 序列的加法操作擴(kuò)散CA, CB，CC，CD得到DNA序列矩陣SA，SB，SC, SD ; 56、 分別將SA，SB，SC, SD的一列作為一個(gè)子序列得到四個(gè)一維數(shù)組，利用剪接操作置 亂這四個(gè)一維數(shù)組，得到DNA序列矩陣MA，MB, MC，MD ; 57、 利用DNA解碼規(guī)則解碼步驟S6中的四個(gè)DNA序列矩陣，然后利用四進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十 進(jìn)制的方式將解碼后的四個(gè)矩陣合并成一個(gè)矩陣，即得到加密圖像。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于剪接模型和超混沌系統(tǒng)的圖像加密方法，其特征在于： 所述步驟Sl中的十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成四進(jìn)制的方式如下：一個(gè)正整數(shù)X可以用N個(gè)比X小的數(shù) Im 1, m2,…，η%}表示，其具體描述為：
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于剪接模型和超混沌系統(tǒng)的圖像加密方法，其特征在于： 所述的步驟S7中的四進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制的方式具體描述為： X = ((((X/nN) X n+mN) X n+mN_1). . . .) X η+η?! 〇
【專利摘要】本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于剪接模型和超混沌系統(tǒng)的圖像加密方法，涉及圖像加密領(lǐng)域。其將混沌系統(tǒng)以及DNA計(jì)算中的剪接模型引入到圖像的加密過(guò)程中。首先利用十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成四進(jìn)制的方式將一個(gè)像素值分解為四個(gè)0到3之間的整數(shù)，然后利用堿基A,G,C,T對(duì)得到的四個(gè)整數(shù)分別進(jìn)行編碼，這樣一個(gè)原始灰度圖像就可以被拆分成四個(gè)部分，可以對(duì)這四個(gè)部分分別進(jìn)行操作；除此之外，該方法充分利用剪接模型的基本思想形成剪接操作，然后將剪接操作應(yīng)用于置亂圖像的像素值中。模擬結(jié)果和安全分析表明，該方法不僅具有較大的密鑰空間，高度的敏感性，而且還能抵抗窮舉攻擊，統(tǒng)計(jì)攻擊以及差分攻擊等，具有良好的加密效果。
【IPC分類】G06T9-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104766350
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510179120
【發(fā)明人】周昌軍, 牛紅葉, 王賓, 張強(qiáng)
【申請(qǐng)人】大連大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年7月8日
【申請(qǐng)日】2015年4月16日