[发明专利]基于混沌和DNA的明文关联图像加密方法

说明书

本发明公开了基于混沌和DNA的明文关联图像加密方法，将明文DNA编码特性应用于置乱过程，不同的明文图像对应不同的密码流，实现了明文关联，从而可以更加有效的抵抗选择明文攻击。另外，通过超高维混沌系统、随机的DNA编码以及DNA级别的置乱异或运算，增加了加密方案的随机性，使得密文图像与明文图像的差别增大，实现了更高的明文敏感性，提高了加密算法的安全性。

技术领域

本发明涉及图像加密的技术领域，尤其涉及到基于混沌和DNA的明文关联图像加密方法。

背景技术

随着互联网技术的快速发展，人们的信息交流方式发生了巨大的变化，通过互联网进行多媒体信息的传输变得越来越普及，图像在军事、医疗等涉密领域中发挥着重要作用，然而，由于网络传输的开放性和共享性，图像传输的安全性问题引发了广泛的关注。

图像不同于传统的文本消息，数字图像具有数据容量大、相邻像素间相关性强、冗余度高等特性，因此，传统加密算法如AES、DES等不再十分适用。研究人员发现混沌系统具有对初值和参数及其敏感、遍历性、非周期性和随机性等一些固有特性，以及混沌映射产生的伪随机序列的结构格外复杂，难以进行分析和预测，十分适用于数字图像的加密。近年来，基于混沌理论的图像加密算法在发展的过程中，为了达到更好的加密效果，逐渐地同其它学科结合起来，由于DNA计算具有并行性强、信息密度高、功耗低等特点，因此将混沌和DNA编码相结合进行图像加密成为一个研究热点。

但是现有的基于混沌和DNA的图像加密算法依然面临着一些新问题，例如DNA编码过程中采用唯一确定的一种编码规则，使得加密的随机性不够；还有一些算法在加密的过程中仅与密钥相关，虽然是不同的原始明文图像，但是密钥流是完全相同的，使得加密算法容易受到选择明文攻击，无法满足高安全性的需求；为提高安全性能，有很多算法提出了一次一密的加密方案，但是这种加密算法每幅图像的密钥都是不同的，需要一个秘密通道来传输密钥，增加了图像加密系统的实现复杂性，不太适用于实时加密，为了提高加密算法安全性和加密效率的需求，设计了一种基于超混沌和DNA编码的明文关联图像加密方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种加密效率高、安全性能好的基于混沌和DNA的明文关联图像加密方法。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：

基于混沌和DNA的明文关联图像加密方法，不同的明文图像对应不同的密码流，实现明文关联，具体包括以下步骤：

S1、假设待加密的原始明文图像P的大小为M*N，利用四维超混沌洛伦兹系统生成四个与明文图像大小相同的混沌伪随机序列，分别记为x_n，y_n，z_n，w_n；

S2、将x_n和y_n进行取模运算得到X和Y两个整数型序列，其中序列X用来控制DNA编码规则，序列Y用于扩散阶段的DNA异或操作；

S3、将原始明文图像P转换为长度为M*N的一维数组P1，用DNA编码序列X对P1和序列Y进行DNA编码，得到两个DNA序列DNA_P1和DNA_Y；

S4、计算明文的DNA编码相关值PPDC；

S5、通过明文DNA编码的相关值PPDC和混沌序列Zn、Wn计算生成用于行列置乱的序列Z和W；

S6、图像像素位置置乱操作；

S7、将置乱后的矩阵转换成长度为4MN大小的一维数组NEW_P，然后与DNA_Y进行异或操作，实现扩散过程；

S8、将实现扩散操作后的DNA序列按照X序列对应的规则进行DNA解码，转换为十进制像素值表示的M*N大小的矩阵，即为得到密文图像C。

进一步地，所述S1中使用的四维超混沌洛伦兹系统的数学模型如下：