[发明专利]基于混沌系统与DNA链置换模型的图像加密方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于混沌系统与DNA链置换模型的图像加密方法，属于图像加密技术领域。

背景技术

近年来，随着互联网的飞速发展，数字图像也越来越频繁的被人们使用。不管是社交活动还是网络新闻媒体，医疗机构或者政府机构，数字图像作为一种信息载体因其简洁明了，表达形象且直观而被人们广泛使用。然而，由于网络的开放性和信息的共享性以及黑客技术的不断发展，网络传输中的图像很有可能被不法分子所截获影响个人或组织的商业利益和隐私，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，随着计算机硬件能力的快速提升和各种新型计算机研究的不断发展，这些方法的安全性面临严峻的挑战。

1963年，美国气象学家洛伦兹提出混沌理论(chaos)，非线性系统具有的多样性和多尺度性。混沌理论解释决定系统可能产生随机结果。在混沌理论中，初始条件十分微小的变化，经过不断放大，对其未来状态可以造成极其巨大的差别。因此，混沌系统天然地就与密码学产生了联系。

发明内容

为了实现上述目的，本发明提供了基于混沌系统与DNA链置换模型的图像加密方法。本文中使用混沌系统产生3条混沌序列对图像进行加密。

DNA链置换是DNA计算中最新发展起来的技术。2011年，Science和Nature报道了加州理工学院计算机系Winfree教授研究组利用DNA链置换技术实现简单的开平方运算。在链置换反应模型中，可将信息编译后隐藏在单链DNA中。每种短的DNA单链(20-80nt)即表示一种逻辑信号，只需要变更DNA单链的序列和长度即可表示另一种信息，很容易实现信息的编译。可以考虑将这种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DNA链置换模型引入到图像的加密过程中。链置换型的机理为：利用分子杂交自由能趋向于稳定的特点，通过改变输入信号分子的长度和序列，控制或诱发下游链置换反应。具体操作步骤如下所述。

1.两条部分互补的DNA链结合在一起(链A长度大于链B)；

2.在室温下，待加入链C(其序列完全与链A互补)，特异性识别区域先结合A的单链部分；

3.C链逐渐占领A链与B链的结合位点，A链与B链逐渐分离，逐渐达到最稳态；

4.最后，C链与A链完全结合，B链与A链完全分离。

本发明的目的在于提出一种基于混沌系统和DNA链置换模型的图像加密方法，用链置换模型提取密钥来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。

本发明的技术方案包括如下步骤：

S1、得到输入图像的像素矩阵，并用DNA编码规则进行编码；

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S1中得到的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，与x₀,y₀,z₀依次相加后得到新的初始值x₁,y₁,z₁；然后结合系统参数产生三条混沌序列；

S3、用混沌序列(x,y)置乱图像的像素位置：对混沌序列(x,y)向下取整，用新得到的序列置乱图像的像素位置；

S4、用DNA链置换操作得到一串密钥，利用密钥和异或运算改变像素值；

所述步骤S4的过程如下：

首先，将步骤S3得到的像素矩阵分块，每一小块的大小为2*4；

然后，对密钥块应用链置换反应，置换出四条短的DNA序列作为加密密钥；利用得到的密钥对对应矩阵块依次进行加密，对应关系由混沌序列(x,z)决定：将密钥块中的4条DNA链与被加密的矩阵块中的部分DNA序列进行异或运算，对应的替换掉矩阵块中的每条DNA序列的一部分，达到加密的效果；最后，将矩阵合并完成这一步骤的加密。

S5、用混沌序列和异或运算对步骤S4得到的序列矩阵的值进行扩散操作；

S6、对S5得到的序列矩阵进行DNA解码即可得到加密图像。

本发明与现有技术相比具有以下优点：