[发明专利]基于随机数嵌入和DNA动态编码的图像加密方法

说明书

本发明提供一种基于随机数嵌入和DNA动态编码的图像加密方法：首先，对明文图像嵌入随机数，进行预处理操作。然后，对预处理后的图像进行DNA动态编码，随后，利用混沌序列生成置乱的位置序列对明文图像DNA编码后的序列完成置乱操作，在置乱过程中引入明文相关的DNA固定特征信息来扰动置乱序列的生成。之后，对明文图像的置乱后的DNA序列和混沌系统生成的掩码序列进行异或操作完成扩散。最后，对扩散DNA序列进行DNA动态解码，得到密文图像。本发明解决了一些图像加密算法对特殊图像(全黑、全白图像)像素置乱无效的问题，同时DNA编码规则的设计和明文图像像素和有关，提高了加密算法对明文信息的敏感性。

技术领域

本发明涉及图像加密技术领域，尤其涉及一种基于随机数嵌入和DNA动态编码的图像加密方法。

背景技术

随着物联网技术和智能信息处理技术的不断发展和成熟，各行各业的图像信息在爆炸性的增长。例如，在交通领域中，电子警察拍摄的车辆图像信息；在医疗领域中，CT、X光、B超等影像检查设备拍摄的医疗图像；在影视方面，4K智能摄像机拍摄的高清图像；在生活娱乐方面，照相机、手机等设备拍摄的个人隐私图像信息等。每天都有大量的图像信息产生，而且数量还在急剧增加。新的技术不光给人们带来了便利，也给人们带来了一系列新的问题，例如人们开始担心图像信息在传输和存储中的安全。因为一些图像包含有大量的隐私信息，例如在个人层面，一些图像包含有私人的家庭信息；在社会层面，部分商业图纸上包含有一些核心的商业机密；在国家层面，一些卫星遥感图像包含有军事目标等。这些信息一旦泄露，将会给个人和社会，乃至国家带来一些不可预知的严重后果。因此，保护图像信息安全成为一个迫切需要解决的问题。

图像加密技术是保护数字图像信息安全的有效方法。一些传统的加密方法，例如数据加密标准(DES)，国际数据加密算法(IDES)和高级加密标准(AES)等，主要是对文本信息加密，不适用于冗余度高以及相邻像素之间的相关性强的数字图像。目前提出的很多图像加密算法是基于置乱-扩散框架下的，置乱是改变图像的像素位置，扩散是改变图像的像素值。其中部分加密算法存在对特殊图像(例如全黑，全白图像)加密时，置乱无效，算法的性能全部依赖扩散操作，从而降低了算法的安全性和加密效率。随着多学科的交叉融合发展，DNA计算因为其具有可并行计算，存储容量大等特点受到人们的广泛关注。一些学者将DNA序列引入到图像加密算法中，提出了基于DNA编码的图像加密算法，但是一些基于DNA编码的图像加密算法，其编码规则是静态的，使用一种编码规则对不同明文图像所有像素进行编码。例如，Zhang等人(Zhang Q,Guo L,Wei X.A novel image fusion encryptionalgorithm based on DNA sequence operation and hyper-chaotic system[J].Optik,2013,124(18):3596–3600)提出了一种基于Chen超混沌系统的DNA加密算法，先使用第三种DNA编码规则来加密所有明文像素，经过置乱扩散操作后，再使用第四种DNA解码规则来解码扩散后的所有像素，最后得到密文图像。这种静态的DNA编码方式抗明文攻击性差，易被黑客暴力破解。因此，高安全的图像加密算法亟待被研究。

发明内容

为解决现有的部分图像加密算法对特殊图像(例如全黑、全白图像)置乱无效，从而存在安全性不高和加密效率较低的问题，以及所采用的基于静态的DNA编码方式抗明文攻击性差，易被黑客暴力破解的问题，本发明提供一种基于随机数嵌入和DNA动态编码的图像加密方法。

本发明提供一种基于随机数嵌入和DNA动态编码的图像加密方法，该方法包括：

步骤1：将明文图像P分成两部分，并分别将所述两部分图像像素的像素和作为密钥参数s₁和密钥参数s₂，所述明文图像P的大小为M×N；

步骤2：利用四维忆阻混沌系统生成四个混沌序列X、Y、Z和U；