[发明专利]基于比特置换与动态DNA编码的混沌图像加密方法

摘要

本发明提出了一种基于比特置换与动态DNA编码的混沌图像加密方法，用以解决现有基于混沌系统的图像加密方法的混沌动力学特性退化，影响混沌加密的安全性的问题。本发明首先利用Keccak算法计算给定DNA序列的散列值，并以此散列值生成混沌映射的初始状态值，采用超混沌Chen系统产生混沌映射索引对图像进行像素位置全局置乱，再结合Butterfly网络对每个像素进行比特位置乱，以实现位级别置乱；然后通过对图像进行动态DNA编码，并与给定的DNA序列进行异或运算，实现像素的替代；最后通过密文反馈来进一步增强其混淆和扩散特性。本发明不仅密钥空间大、对密钥的敏感性强，而且能有效抵御统计性分析和穷举分析等攻击操作。

主权项

一种基于比特置换与动态DNA编码的混沌图像加密方法，其特征在于，其步骤如下：步骤一：将灰度图像I转换成大小为M×N的二维的图像矩阵I1；其中，M和N分别为图像矩阵I1的行和列的维数；步骤二：利用Keccak算法对DAN序列SQ进行计算，得到一组散列值K，并生成混沌初始化参数；步骤三：将超混沌Chen系统产生的索引序列B1按照升序排列，得到置换索引序列X，将置换索引序列X按照每行M个值进行填充可得到置换矩阵T，用置换矩阵T置乱图像矩阵I1中的像素位置，得到置乱后的图像矩阵I2；步骤四：根据编码规则将DNA序列SQ转化为二进制序列SQB；对二进制序列SQB中的位，按照每8位为一组进行分组，每组作为一个控制字节，取前M*N组得到序列SQB'＝{sqb1',sqb'2,sqb3',...,sqb'M*N}；利用三级置乱的Butterfly置换网络，选择控制字节sqb′(i‑1)*N+j作为控制位对图像矩阵I2中的任一个像素I2(i,j)进行置换；通过对图像矩阵I2中的所有像素进行三级置乱的Butterfly置换，得到新的图像矩阵I3；其中，i∈{1,2,…,M}，j∈{1,2,…,N}；步骤五：将图像矩阵I3分为两个子矩阵，根据子图置乱与扩散方法，通过超混沌Chen系统产生的序列B2和序列B3分别对两个子矩阵进行置乱与扩散后，再恢复成一个矩阵，得到图像矩阵I4；步骤六：在DNA序列SQ的S处截取4×M×N个碱基序列，采用动态编码技术选择编码规则，将图像矩阵I4转换成长度为4×M×N的DNA序列DNA_S，并将序列DNA_S与DNA序列SQ做代数运算实现像素替代，得到的结果序列DNA_SD，利用编码规则将结果序列DNA_SD还原成图像矩阵，得到图像矩阵I5；步骤七：根据密文扩散技术，对图像矩阵I5中的每个像素与前一个像素的密文进行异或运算，得到图像矩阵I6并输出，其中，前一个像素的密文是指图像矩阵I6中的前一个元素。