[发明专利]基于自更新变换、双随机三维矩阵置乱和DNA计算的图像加密方法

说明书

本发明提供一种基于自更新变换、双随机三维矩阵置乱和DNA计算的图像加密方法。该方法包括：给定4D忆阻混沌系统初始值生成混沌序列，计算明文图像哈希值；根据哈希值从混沌序列中选择元素组成新的混沌序列；对明文图像P(M×N)进行自更新变换，得到自更新变换后图像P₃；利用DNA编码规则序列对图像P₃进行DNA动态编码，得到DNA序列P₅，并将其转化为三维DNA矩阵P₆；生成三维正交拉丁立方体L_z1和生成三维猫映射序列Mp，构建双随机三维矩阵置乱规则，对三维DNA矩阵P₆进行置乱，得到置乱后的三维矩阵P₇；对三维矩阵P₇中的待扩散平面进行平面扩散，得到扩散后的三维DNA矩阵P₈；对三维DNA矩阵P₈进行DNA动态解码，然后转化成大小为M×N的二维矩阵，作为密文图像C。

技术领域

本发明涉及图像加密技术领域，尤其涉及一种基于自更新变换、双随机三维矩阵置乱和DNA计算的图像加密方法。

背景技术

数字图像因具有直观、形象、逼真的特点，已经成为信息交流的主要方式之一。数字图像具有高冗余、高数据量和强相邻像素相关性等特点。而传统的加密方案，如数据加密标准(DES)、高级加密标准(AES)是针对文本信息设计的，用于图像时存在加密效率较低的问题。

混沌系统因其具有对初始条件和参数的敏感性、遍历性、非周期性和确定性等动力学特性，被广泛用于图像加密领域。随着多学科的交叉融合发展，DNA计算以其具有可并行计算，存储容量大，低功耗等特点，受到人们的广泛关注。一些学者将DNA计算引入到混沌图像加密算法设计中，提出了基于DNA编码和混沌系统的图像加密算法。例如，Sun(Sun SL.A novel hyperchaotic image encryption scheme based on DNA encoding,pixel-level scrambling and bit-level scrambling.IEEE Photonics Journal,2018,10(2):7201714.)提出了一种基于DNA编码和置乱的超混沌图像加密算法。首先利用一个5D超混沌系统生成混沌序列，然后利用混沌序列来实现图像的像素级置乱和位级置乱，最后利用DNA异或操作来完成图像扩散。Feng等人(Feng W，He Y.Cryptanalysis and improvement ofthe hyper-chaotic image encryption scheme based on DNA encoding andscrambling.IEEE Photonics Journal,2018,10(6):7909215.)指出Sun提出的加密算法存在密钥与明文图像无关的问题，攻击者可以通过选择明文攻击得到等价扩散矩阵和等价置乱矩阵，这样在不知道任何安全密钥信息的情况下可以完全恢复明文图像。最近，Li等人(Li T Y,Shi J Y,Li X S,Wu J,Pan F.Image encryption based on pixel-leveldiffusion with dynamic filtering and DNA-level permutation with 3D LatinCubes.Entropy,2019,21(3):319.)提出了一种基于动态滤波扩散和三维拉丁立方体置乱的DNA编码图像加密算法。首先，利用一种新的5D超混沌系统生成混沌序列；其次，将混沌序列转化成一维滤波序列，对图像的每个像素点进行滤波操作来完成像素级扩散；接着，对图像进行DNA编码，然后转换为三维DNA矩阵，利用三维拉丁方对明文进行DNA级置乱；最后对三维矩阵进行DNA解码，再转化成二维密文图像。但是该算法的滤波操作，对特殊图像(例如全零图像)运算时无效，导致加密算法的安全性不高。因此，高安全的图像加密算法亟待被研究。

发明内容

为解决现有的图像加密方法中存在的密钥与明文图像无关、滤波运算对特殊图像无效而导致算法安全性低的问题，本发明提供一种基于自更新变换、双随机三维矩阵置乱和DNA计算的图像加密方法。