[发明专利]基于比特置换与动态DNA编码的混沌图像加密方法

说明书

技术领域

本发明涉及数字图像加密的技术领域，具体涉及一种基于比特置换与动态DNA编码的混沌图像加密方法。

背景技术

随着多媒体技术和网络技术的快速发展，数字图像处理已经广泛应用到了人类社会生活的各个方面，如：遥感、工业检测、医学、气象、通信、侦查和智能机器人等。因此，图像信息越来越得到重视。保护图像数据的安全就显得更加重要，尤其是在军事、商业和医疗等特殊领域。图像加密技术已成为一种有效保护所传输数字图像的方法。图像数据具有数据量大，相关性强、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。

作为一种复杂的非线性系统，混沌系统具有初值敏感性、伪随机性、非周期性等特点，与密码学所要求的特性相吻合。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。

目前，对于混沌序列的使用，大多数基于混沌系统的图像加密算法的混淆与扩散结构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。

发明内容

针对现有基于混沌系统的图像加密方法的混沌动力学特性退化，影响混沌加密的安全性的问题，本发明借助于混沌映射对初始条件的敏感性与伪随机性，结合DNA分子固有的空间构型及独特的信息处理能力等优势，提出一种基于比特置换与动态DNA编码的混沌图像加密方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于比特置换与动态DNA编码的混沌图像加密方法，其步骤如下：

步骤一：将灰度图像I转换成大小为M×N的二维的图像矩阵I₁；其中，M和N分别为图像矩阵I₁的行和列的维数；

步骤二：利用Keccak算法对DAN序列SQ进行计算，得到一组散列值K，并生成混沌初始化参数；

步骤三：将超混沌Chen系统产生的索引序列B₁按照升序排列，得到置换索引序列X，将置换索引序列X按照每行M个值进行填充可得到置换矩阵T，用置换矩阵T置乱图像矩阵I₁中的像素位置，得到置乱后的图像矩阵I₂；

步骤四：根据编码规则将DNA序列SQ转化为二进制序列SQB；对二进制序列SQB中的位，按照每8位为一组进行分组，每组作为一个控制字节，取前M*N组得到序列SQB'＝{sqb′₁,sqb′₂,sqb′₃,...,sqb′_M*N}；利用三级置乱的Butterfly置换网络，选择控制字节sqb′_(i-1)*N+j作为控制位对图像矩阵I₂中的任一个像素I₂(i，j)进行置换；通过对图像矩阵I₂中的所有像素进行三级置乱的Butterfly置换，得到新的图像矩阵I₃；其中，i∈{1,2,…,M}，j∈{1,2,…,N}；

步骤五：将图像矩阵I₃分为两个子矩阵，根据子图置乱与扩散方法，通过超混沌Chen系统产生的序列B₂和序列B₃分别对两个子矩阵进行置乱与扩散后，再恢复成一个矩阵，得到图像矩阵I₄；

步骤六：在DNA序列SQ的S处截取4×M×N个碱基序列，采用动态编码技术选择编码规则，将图像矩阵I₄转换成长度为4×M×N的DNA序列DNA_S，并将序列DNA_S与DNA序列SQ做代数运算实现像素替代，得到的结果序列DNA_SD，利用编码规则将结果序列DNA_SD还原成图像矩阵，得到图像矩阵I₅；