[发明专利]一种基于Feistel网络与动态DNA编码的图像加密方法

说明书

本发明提出了一种基于Feistel网络与动态DNA编码的图像加密方法，使用Keccak算法计算原始明文图像的哈希值作为超混沌Chen系统的初值，采用超混沌Chen系统生成的混沌序列生成希尔加密矩阵对原始图像的像素进行置换；用DNA编码运算作为Feistel网络的F函数，DNA序列库作为Feistel网络的密钥K实现图像像素值扩散；通过密文反馈进一步扩散。本发明通过三轮“混沌置乱‑DNA编码‑Feistel变换‑DNA解码”使密文随机性和抗攻击性更强，实现了图像像素位置的置乱变换与像素值的扩散，多次置乱与DNA编码、解码减少了加密的轮数。本发明可以对图像进行有效加密，具有明文敏感性强，能有效地抵抗明文攻击、差分攻击和统计攻击。

技术领域

本发明涉及图像加密的技术领域，尤其涉及一种基于Feistel网络与动态DNA编码的图像加密方法。

背景技术

信息安全问题已经成为影响国家安全、社会稳定、经济发展和人身财产的重大问题，必须采取措施保证信息资源的完整性、可用性、保密性和可靠性。数字图像具有直观易识别、生动、高冗余度，大数据容量等特征，是人们常用的信息交流方式之一。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诸如DES、AES、Feistel和RSA等因其加密效率低，安全性不高等原因，已不能满足图像加密的需要。

随着DNA分子计算技术和生物技术研究的不断深入。科学家们发现核酸序列具有天然的四进制组合，这与半导体通断所形成的二进制类似。因此，运用核苷酸的排列组合可以进行信息存储和计算。DNA所具有的超大规模并行性、超高容量的存储密度以及超低的能量消耗正被人们开发出来用于分子计算、数据储存以及密码学等领域，这方面的研究有可能最终导致新型计算机、新型数据存储器和新型密码系统的诞生，引发一场新的信息革命。1999年，Gehani等提出了一种基于DNA的一次一密机制，给出了替代法和异或法两种一次一密密码方案。2003年，Chen等构建了一种基于DNA分子序列的密码体系；2005年，Kazuo等利用DNA解决了密钥分配问题；2006年，卢明欣等利用DNA合成技术、DNA克隆技术、DNA扩增技术以及DNA芯片技术，并结合计算复杂度理论提出了一种基于DNA的加密方法。2009年，Mousa等设计出一种信息隐藏方案，利用可对比映射技术，在不改变核酸功能的前提下，将密文信息嵌入核算序列的任意部分。总之，DNA的高并行计算能力和海量数据存储能力、现有生物技术和计算技术的局限性为已有的DNA加密方法提供了多重安全保障。但是，这些DNA加密算法多用于加密文字信息，对于图像信息，直接加密相当困难。近年来，结合DNA分子与传统密码的双重优势，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，Wang等给出了一种基于2-Dlogistic映射和DNA操作的图像加密技术。2016年，周小安给出了一种基于DNA乱序编码和混沌映射的图像加密算法。2017年Chai等结合DNA操作，给出了一种基于混沌的图像加密算法。这些算法仅对图像像素的位置进行置换和灰度值进行了改变。但比特位置改变较少，是没能达到真正扩散的目的。

发明内容

针对现有图像加密方法比特位置改变较少，没能达到真正的扩散的技术问题，本发明提出一种基于Feistel网络与动态DNA编码的图像加密方法，将二者Feistel网络和DNA编码的特性有机的结合，通过采用超混沌系统产生的超混沌系列来构建希尔加密矩阵对图像进行置换，利用混沌索引序列、Feistel网络及动态DNA编码技术对图像进行置乱与扩散，并通过密文反馈进一步增强算法的混淆和扩散特性。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于Feistel网络与动态DNA编码的图像加密方法，其步骤如下：

步骤一：将大小为m×n的灰度图像转换成大小为m×n二维的图像矩阵I₁；