[发明专利]一种融合多混沌映射和DNA编码的图像加密方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及图像加密技术领域，尤其涉及融合多混沌映射和DNA编码的图像加密方法及装置，以及相应的解密方法及装置。

背景技术

图像加密是防止图像被截获篡改的有效方法。混沌是非线性动力学系统中的一种确定性的类随机过程，与密码学之间有着结构上的相似性，非常适合用于图像加密。现有技术中采用图像置乱与扩散相结合,利用逻辑(Logistic)、Kent产生控制参数，提出了一种多混沌图像加密算法。另外还提出了一种基于Logistic混沌系统的快速数字图像加密算法，该法简单易行，加密与恢复效果良好。还有研究者将逻辑(Logistic)混沌序列与切比雪夫(Chebyshev)混沌序列相结合,提出了一种基于复合混沌系统的改进的高级加密标准加密算法。这些基于混沌的图像加密算法一般使用低维混沌映射作为加密的工具，虽然加密结构简单便捷，但由于低维混沌系统参数和初始值个数少，密钥空间较小，算法的安全性较低。

随着DNA计算和相关技术的发展，围绕DNA计算的图像加密研究也逐渐展开。例如现有技术中使用置乱和扩散技术结合DNA互补规则和和混沌映射，提出了一种新的图像加密算法。另有运用DNA计算模型中的DNA剪切、转换等操作对目标图像进行加密处理。还有研究者在离散小波域中基于DNA水印技术对DNA编码序列进行划分，利用加密控制信息和分组方案对编码序列进行替换，完成图像加密。或者利用DNA技术将目标图像编码成DNA序列和超图像格式，在DNA序列下完成替换，在超图像格式下完成扩散，实现目标图像的加密。

虽然基于DNA技术的加密算法有很多无法比拟的优势，但单一使用DNA技术加密无法保证加密算法的安全性，将混沌理论与DNA技术相结合已成为DNA加密技术的研究热点。现有技术中融合二维混沌映射、DNA编码和细胞自动机模型，提出了一种新的图像编码算法。另有采用混沌映射索引和DNA互补编码相结合的方法，提出了一种安全可靠的图像加密技术。或者，以混沌序列为映射随机编码图像信息，提出了一种新的真彩图加密算法。也有文献提出了一个基于DNA、哈希算法SHA-2和Lorenz系统的图像编码算法。但当前基于DNA编码技术与混沌理论的图像加密算法对明文攻击有较低的防御性，存在对明文和密钥低敏感性的不足，同时图像相邻像素存在相关性，在加密算法中单一置换无法有效抵御统计攻击。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中的上述缺陷中的一个或多个，提供一种融合多混沌映射和DNA编码的图像加密方法及装置，以及相应的解密方法及装置。

为了解决上述技术问题，本发明第一方面，提供了一种融合多混沌映射和DNA编码的图像加密方法，包括以下步骤：

图像置乱步骤、将目标图像转化成RGB三个颜色分量矩阵，并使用Arnold变换矩阵对三个颜色分量矩阵分别进行置乱；

矩阵替换步骤、对置乱后的三个颜色分量矩阵分别采用不同DNA编码方案进行编码，将混沌映射产生的混沌序列进行DNA编码，并与DNA编码后的三个颜色分量矩阵叠加，得到替换后的颜色分量矩阵；

密文重构步骤、将替换后的颜色分量矩阵进行DNA解锁后合并得到中间密文，对中间密文求得和值，将所述和值与中间密文以按位异或形式进行扩散，得到目标图像的密文。

在本发明所述的融合多混沌映射和DNA编码的图像加密方法中，优选地，所述图像置乱步骤包括：

(1)将大小为M×N的目标图像分解成表示R、G、B位平面的三个大小为M×N的二维颜色分量矩阵，通过补零方式将这三个颜色分量矩阵分别组成大小为N₁×N₁的矩阵，其中，M为每行的像素数，N为每列的像素数，N₁为max(M,N)；

(2)使用Arnold变换矩阵对三个大小为N₁×N₁的矩阵分别进行置乱，并将置乱后的三个矩阵分别转化成大小为N₁×8N₁的二进制矩阵。

在本发明所述的融合多混沌映射和DNA编码的图像加密方法中，优选地，所述矩阵替换步骤包括：

(1)分别采用不同编码方案对表示R、G、B位平面的三个二进制矩阵进行DNA编码，得到大小为N₁×4N₁的编码后的三个颜色分量矩阵R₁、G₁、B₁；

(2)通过混沌映射产生混沌序列，并对混沌序列整数化处理，再进行DNA编码；