[发明专利]基于混沌系统与核酸序列库的数字图像加密方法

说明书

技术领域

本发明属于数字图像加密的技术领域，具体涉及一种基于混沌系统与核酸序列库的数字图像加密方法。

背景技术

由于数字图像表达信息具有直观、生动形象和信息量大等优势，成为一种主流的信息表达方式。随着图像信息的广泛使用，如何确保图像信息的安全成为目前普遍关注的问题。目前，数字图像加密技术成为保护图像信息安全的重要手段。由于数字图像具有数据量大、冗余度高等特点，现有的经典加密方法因其加密效率低，安全性不高等原因，已不能满足图像加密的需要。

1949年，香农在论文《Communication Theory of Secrecy Systems》中，提出了完善保密的概念，并证明了一次一密密码体制具有完善保密性。但一次一密的密钥在传递和分发上存在很大困难。根据混沌系统的伪随机性、对初值敏感性以及难以预测等特点，将混沌序列作为随机密钥，可以达到与一次一密相同的加密效果，在理论上也是不可破的。因此，混沌加密技术在信息安全领域，尤其是图像加密领域得到了广泛的应用。Chen等给出了图像加密的混淆与扩散结构。然而，对于混沌序列的使用，受计算机字长的限制，会导致混沌的动力学特性退化，特别是低维混沌系统。这严重影响了混沌加密的安全性。为此，许多学者使用超混沌系统来确保混沌序列的复杂性，以提高算法的安全性。但是，不可否认的是，单一的混沌映射构成的加密算法无法保证所加密的图像具有较高安全性。

DNA是生物体内遗传信息储存的重要载体，在生物体遗传代谢中发挥重要作用。由于其具有超大规模并行性、超高的存储密度、超低的能耗以及独特的分子结构与分子间识别机制决定了其突出的信息存储及信息处理能力。DNA分子在信息加密、隐藏、认证等信息安全技术领域具有巨大的发展潜力，为现代密码学的发展提供了一个新途径。1995年Boneh等人用4个月的时间破解了56位的密钥，这是首次用DNA计算来破解传统的加密标准DES。随后，DNA密码学的发展成为一个研究热点。1999年，Gehani等人借助DAN分子作为信息载体，利用生化技术在DNA分子上实现了一次一密的传统加密算法。同年，Celland等人利用DNA作为信息载体实现了信息的隐藏，并把二战中著名的“June 6invasion:Normandy”信息隐藏到DNA微点中，利用DNA的天然存储能力实现了隐写术。2013年，Goff等人实现了三维(微粒阵列)加密模型，他们将DNA微粒技术与热缩片结合，把DNA聚合物固定在聚乙烯热缩片上，成功地形成了尺寸在100μm内的三维DNA水凝胶微粒阵列。上述DNA加密算法较合适用于加密文字信息，对于图像信息，直接加密相当困难。2014年，徐光宪等提出了一种基于混沌映射的DNA图像加密算法。2015年，张健采用混沌索引和DNA互补编码相结合的方法，提出一种数字图像加密技术。这些方法仅对图像的像素位置进行置乱，对单个像素灰度值进行改变，没能达到真正扩散的目的。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于混沌系统与核酸序列库的数字图像加密方法，将混沌系统与核酸数据库中的DNA序列相结合，实现图像像素位置的置乱变换与像素值的扩散，能有效抵抗明文攻击、差分攻击和统计攻击，且具有密钥空间大，安全性高。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种基于混沌系统与核酸序列库的数字图像加密方法，其步骤如下：

(1)将灰度图像I转换为大小为M×N的二维矩阵I₁；

(2)利用三维Lorenz混沌系统产生的索引序列X，置乱二维图像矩阵I₁，得到图像像素位置矩阵I₂；

(3)利用DNA编码规则，将图像像素位置矩阵I₂中的每个像素灰度值编码成含有4个碱基的DNA序列，得到一个基于DNA编码的图像矩阵I₃；

(4)从核酸编码库中随机选择一个DNA序列，将该序列从随机值R处截取M×N×4个碱基序列；并转换成与编码矩阵I₃对应的DNA序列编码矩阵I’；

(5根据碱基运算规则，将图像DNA编码矩阵I₃与编码矩阵I’对应的碱基序列进行异或运算，并与前一个像素的密文进行加运算得到新的编码矩阵I₄；来实现像素的扩散。再利用三维Lorenz混沌系统产生的索引序列Y置乱图像编码矩阵I₄，得到图像编码矩阵I₅；