[发明专利]基于混沌系统与插入—删除模型的图像加密方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。本发明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)