[发明专利]基于DES结构与DNA编码的数字图像加密方法

说明书

本发明提出了一种基于DES结构与DNA编码的数字图像加密方法，用于解决传统DES加密算法应用于图像加密时操作复杂，抗裁剪攻击能力弱等问题。本发明借鉴了DES加密算法的结构，并使用了DNA编码运算、选择密文输出和密钥校验等方法，很好的弥补传统文字加密算法应用于数字图像加密时计算复杂度高、密钥管理不便等问题。本发明通过分析密文的信息熵、像素改变率、图像相关性等指标，验证其安全性；本发明在遭受攻击时具有很好的恢复能力，具有较大的密钥空间来抵抗穷举攻击，同时还能够抵抗统计攻击、差分攻击、裁剪攻击、噪声攻击等，可广泛应用于图像信息的安全传输。

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DES结构与DNA编码的数字图像加密方法。

背景技术

数字图像信息具有数据量大，数据间的相关性强等特点，使传统加密方法对图像数据的加密遇到了困难。现代社会中，信息的安全问题影响着人类生产生活的方方面面，人类所面对的信息泄露的问题越来越严重，如何有效的保护信息的安全传输已经成为一项热门的研究领域。RSA和DES等加密算法曾被广泛应用于文字信息的加密，但是随着半导体工业和计算机科学的进步，人类的计算能力取得了飞速的发展。传统的加密算法面临被破解的风险。与此同时，虽然计算机的计算能力已经有很大程度的提升，但是仍面临着很大的挑战。图像数据的数据量比文本数据的数据量高出了很多。图像数据类似于模拟信号采样数据，有着相关性极强，冗余度高的特点。在图像加密领域使用传统的加密算法会带来计算量过大，密钥管理复杂等问题，造成时间和资源的浪费。

数据加密标准(Data Encryption Standard，DES)是一种分组加密算法，1977年被美国联邦政府的国家标准局确定为联邦资料处理标准，并授权在非密级政府通信中使用。图1为DES算法的流程图，传统的DES算法首先对明文进行分组操作，每块的大小为64位，然后将每个区块分成左右两个部分相互加密并迭代16轮，最后将加密后的区块重组。用传统的DES算法对图像进行加密，会面临迭代次数多，操作复杂，抗裁剪攻击能力弱等问题。

1994年，Adleman设计完成了第一个DNA计算实验，并将其研究成果发表在Science上，开辟了一个新的领域——生物计算。后续有很多学者为生物计算做出了很多的研究。以DNA的分子结构特性推导，DNA计算具有许多良好的特性，例如，巨大的存储容量，大型的并行计算能力，超低的能耗。生物计算领域仍在不断地被探索和研究，虽然在实践中DNA计算机仍未被应用，但是DNA计算的编码和计算方式丰富了密码学中加密算法的手段。通过模拟DNA计算，可以提高加密算法的各项评价指标。Gehani等提出了第一个使用DNA串加密图像的算法。

发明内容

针对传统的DES算法迭代次数较多，计算较复杂，抗裁剪攻击能力弱的技术问题，本发明提出一种基于DES结构与DNA编码的数字图像加密方法，计算复杂度低，对密钥有很强的敏感性，具有良好的抗穷举攻击、抗噪声攻击能力和抗裁剪攻击能力强，可以有效地抵抗统计攻击。

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DES结构与DNA编码的数字图像加密方法，其步骤如下：

步骤一：将大小为M*N的明文灰度图像转化为二维的图像矩阵I，将图像矩阵I输入到SHA-256算法，得到256位的Hash散列值组成二进制序列H，作为初始密钥；

步骤二：将二进制序列H等分成8位的二进制序列分别带入到Logistic映射和2D-LSCM混沌系统的动力学方程中，分别得到Logistic映射的初始值和2D-LSCM混沌系统的初始值和初始参数；

步骤三：将步骤二得到的Logistic映射的初始值带入Logistic映射的动力学方程进行迭代得到长度为(2×M×N+1000)的序列L，将步骤二得到的2D-LSCM混沌系统的初始值和初始参数带入2D-LSCM混沌系统的动力学方程进行迭代得到两个长度为4×M×N+1000的2D-LSCM混沌映射的序列X和序列Y；