[发明专利]一种基于多方向扩散和DNA编码的图像加密方法

说明书

本发明公开了一种基于多方向扩散和DNA编码的图像加密算法，能有效解决利用混沌系统和DNA计算方法在进行图像加密时的系统线性相关性较强所导致的易被破译的问题。该方法首先通过Fibonacci变换进行图像像素的置乱，然后将图像进行DNA编码操作，接着通过动态选取DNA计算的方式进行两轮双向的扩散操作，最后进行DNA解码操作得到密文图像。仿真结果表明，该方法切实有效，能够将明文信息映射为伪随机信息，可以抵御常见的攻击手段。

技术领域

本发明属于数字图像加密算法技术领域。特别是涉及一种基于多方向扩散和DNA编码的图像加密方法。

背景技术

如今随着互联网的发展，在不同场景下产生了海量数字图像，在一些场合中对图像信息提出了保密要求，比如个人隐私图片和军事图像信息。图像蕴含信息量较大，相邻像素间信息的冗余度较高，采用传统的AES/DES加密算法进行图像加密效率较低且安全性不高。为了解决这一问题涌现出诸多图像加密方法，其中基于混沌系统的图像加密是重要的研究方向。为了得到良好的加密效果，加密算法应该将明文图像映射为随机密文的形式，并且应该对明文和密钥非常敏感。混沌系统有很强的伪随机性、遍历性和对参数和初始值敏感等特性，利用这些特性可以有效地隐藏明文信息。一般来说，在数字图像加密研究中，一般遵循置乱和扩散的规则。

在图像的置乱方面有很多研究成果。基于混沌映射的置乱方法和基于矩阵变换的置乱方法是较为常用的方法。在基于混沌映射的置乱方法中，一般可以利用混沌系统迭代产生的伪随机值构造指向像素位置的索引，然后通过交换像素值位置来进行图像的置乱操作。这类方法一般需要多轮置乱操作，而且置乱效果难以得到保证。另一种常用的图像置乱方法是基于矩阵变换的置乱方法，利用一些带有混沌特性的变换矩阵，如Arnold变换和Fibonacci变换，可以有效地将像素位置打乱。但是这类方法一般针对图像行数和列数相等的方形图像进行加密，在对非方形图像进行加密时，一般可以补充像素点来使之成为N×N的方形图像。

混沌系统在图像的扩散方面也有巨大的作用。通过结合混沌序列，可以将明文像素映射为伪随机的形式，在扩散时将单个点的像素值扩散到全文，可以有效抵御差分攻击方法。

在扩散过程中，最常用的是采用加取模运算和异或运算。Adleman于1994年首次提出了DNA编码计算，DNA编码计算具有大规模并行性、低能量消耗、高存储密度的优良特性，将DNA编码计算引入图像加密以替换传统的扩散方法，可以有效提升加密系统的性能。通过将图像像素值和混沌系统产生的伪随机值编码为DNA碱基序列，然后利用DNA计算的方式进行图像的扩散操作，可以实现图像的加密。DNA计算方式是一种比较先进的计算方式，将其应用到图像加密中也有一些研究。近些年有不少论文在图像加密操作中引入DNA编码计算，有效地提升了加密系统的性能。但是采用单一的编码规则或者采用单一的DNA计算规则，容易导致系统有较强的线性相关性，可能导致系统抵御选择明文攻击的能力较差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于多方向扩散和DNA编码的图像加密方法。该方法使用二维离散Fibonacci变换打乱像素位置，采用LSS混沌系统产生伪随机序列，通过利用DNA编码计算的方法进行多方向扩散，将明文中单个点的像素值扩散到全文。每一轮扩散都选择不同的初始扩散方向，并且采用动态选取DNA计算的方式，可以避免较强线性相关性的出现，破译系统的难度更大。

本发明是通过以下技术方案实现的：

1.一种基于多方向扩散和DNA编码的图像加密算法，包括如下步骤：

1)首先通过二维离散Fibonacci变换将图像的像素位置进行置乱处理；

2)将置乱后的图像进行DNA编码操作得到DNA编码图像；

3)利用密钥迭代LSS混沌序列并且规范化；

4)通过动态DNA计算方法，进行两轮双向的多方向扩散操作；