基于ＤＮＡ序列与多混沌映射的数字图像加密方法技术

本发明专利技术公开了一种新的数字图像加密方法。该方法属于ＤＮＡ计算和图像加密领域，提出了一种基于ＤＮＡ序列和多混沌映射的数字图像加密算法。传统的基于混沌的加密算法具有密钥空间小，混沌系统易于被分析与预测等缺点；并且现存的基于ＤＮＡ加密系统大多都要通过复杂的生物操作，难以实现。为了克服上述缺点，本发明专利技术首先利用Ｃｕｂｉｃ映射和小波函数产生的二维混沌序列置乱图像像素的位置，然后用ＤＮＡ序列与由Ｌｏｇｉｓｔｉｃ映射产生的混沌序列相作用来扰乱图像的像素值。实验结果表明，该算法易于实现，对图像的加密效果较好，密钥空间大，对密钥的敏感性强，能够有效地抵抗穷举攻击、统计攻击。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及DNA计算领域和数字图像加密的领域，特别涉及一种数字图像加密方 法，主要是利用DNA序列的编码特性结合多混沌映射来实现数字图像的加密。
技术介绍
在当今社会，计算机网络改变了人们的通信方式，人们可以通过网络便捷地传输 各种多媒体信息。由于网络的开放性，多媒体信息安全与保密越来越引起人们的重视。数 字图像是多媒体通信中的重要信息载体，因而如何保护图像信息成为了普遍关注的问题。 由于混沌具有类随机、初值敏感性以及难以预测等特性，成为研究者们关注的焦 点。根据置乱的对象来分，基于混沌的图像加密方法可以分为两类像素位置置乱和像素值 置乱。像素位置置乱的特点是加密效率高，效果好，但算法的安全性不高，难以抵抗统计攻 击；像素值置乱的特点是算法安全性高，但加密效果不好，效率低。此外，传统的基于混沌的 像素值的加密算法均是用单一混沌映射产生的混沌序列直接与像素的灰度值叠加来实现 图像的加密。大量文献指出，利用单一混沌映射实现的图像加密算法有安全性较低，混沌序 列易破译以及密钥空间小等缺点。 DNA加密系统是近年来伴随着DNA计算的研究而出现的密码学新领域，其特点是 以DNA为信息载体，以现代生物技术为实现工具，挖掘DNA固有的高存储密度和高并行性等 优点，实现加密、解密等密码学功能。已有的基于DNA加密的算法大多要用生物实验进行操 作，由于生物实验设备昂贵，实验环境难以控制，实验灵敏性高等缺点，目前基于DNA加密 的研究还是理论多于实践。
技术实现思路
为了克服上述加密方案的缺点，本专利技术提出一种基于DNA序列和多混沌映射的数 字图像加密方法，摆脱了DNA加密中的复杂生物操作，单纯的利用DNA编码的特性并结合多 混沌序列来同时实现像素位置和像素置的置乱，并提高数字图像加密算法的效果以及安全 性。本算法对图像的加密效果较好，密钥空间大，对密钥的敏感性强，能够有效地抵抗穷举 攻击以及统计攻击。 本专利技术的技术方案是该算法首先通过Cubic映射和小波函数产生的混沌序列置 乱图像的像素位置，然后利用DNA序列的编码、取补、解码等规则结合由Logistic映射产生 的混沌序列来扰乱图像的像素值。 附图1所示为本专利技术算法流程图，其具体包括以下技术环节 1.混沌序列的产生 本专利技术算法中，用Cubic映射、小波函数映射和Logistic映射来实现图像加密。其中Cubic映射和Logistic映射的特性是学者们众所周知的。这里我们着重介绍一下小波函数的特性。 (1) Cubic映射4(1)0，1，2，…，当ii G 时，产生混沌序列。 Cubic映射定义如下 xn—! = ii xn3+(l_ii )xn 其中xn G ， n = (2)小波函数映射 小波函数在一定的条件下迭代也能够产生混沌现象。在一个一维小波函数构成的 迭代公式(2)中 x肝,=A:(l—《)eq5(~0.5(jc"+^)2) (2) 当k = 1. 33， x G (0， 1) ， ii G 时会出现混沌现象。小波函数映 射的分叉图和Ly即皿ov指数图见图2。 (3)Logistic映射 Logistic映射是一种典型的混沌映射，其定义如下 xn+1 = iixn(l-xn) (3) 其中y G ， xn G (O，l)， n = 0，1，2，…。当0 < ii《3. 569945时，该动 力系统从稳定状态分叉产生倍周期；当3. 569945 < y《4时，该动力系统进入混沌状态。 本专利技术中，由Cubic映射与小波函数产生的混沌序列，是直接通过初值x。、 y。产生 的实数混沌序列，而为了与DNA序列相作用，必须将由Logistic映射产生的混沌序列转换 成二值序列。根据所有的由任意初值产生的混沌实数序列来定义一个阈值函数f (x)，取阈 值为0. 5，则f(x)定义如下,、「0， 0 < x《0.5; " X ) = <|y V 7 ll, 0.5<x^l; (4) 通过f (x)就可以把混沌实数序列转换成二值序列。 2. DNA序列加密 单链DNA序歹lj由四种碱基A (adenine) 、 C (cytosine) 、 G (guanine) 、 T (thymine)组 成，其中A与T、 C与G互补。用00、01、10、11分别对DNA序列中的四个碱基进行二进制编 码，共有4！ =24种编码组合。由于二进制数字0与1互补，从而00与11互补，Ol与10 互补，故在24种数字编码中，有8种编码满足碱基互补配对准则，见表1。 表1DNA序列的8种编码、解码映射准则 1234567800—-A00—-A00—-C00—-c00—-G00—-G00—-T00—-T01—-C01—-G01—-A01—-T01—-A01—-T01—-C01—-G10—-G10—-C10—-T10—-A10—-T10—-A10—-G10—-C11—-T11—-T11—-G11—-G11—-C11—-C11—-A11—-A 首先，将这8种规则映射到(0，1)之间的8个子区域中，例如(O，O. 125]区域表 示规则1， (0. 125，0. 25]表示规则2……；然后，用两个种子(keyl， key2)随机的产生两个 (0， 1)之间的随机数，以此来选择不同的DNA编码、解码规则，不同的编码、解码规则使得图5像的加解密不同；最后，将原始图像转换成二值序列，按照选择的编码、解码准则，实现图像 的加密。 实例如原始图像的第一个像素值是用DNA编码映射准则1进行编码 得到DNA序列，然后将上述DNA序列用DNA解码映射准则5进行解码得到二值序列 。 3.基于DNA序列与多混沌映射的图像加密算法 具体步骤如下 (1)输入8位灰度图像A(m， n) ， m、 n为图像A的行列维数； (2)利用Cubic映射和小波函数分别以初值x。， y。，系统参数y " y 2产生两个混 沌序列{xm} 、 {yn}; (3)将这两个序列按升序排列，得到两个新序列{x/ }、 {yn' }; (4)将{x/ } 、 {yn' }各元素所在的位置之值替换原序列{xj 、 {yn}中的该元素，得到两个新的序列km" }， {yn〃 }; (5)用这两个序列作为置乱矩阵的行地址和列地址，用此矩阵对图像像素位置进 行置乱，得到灰度图像B(m，n); (6)将图像B转化成一维的二值序列M，由于每个像素值可以由8位二进制表示， 所以length(M) = mXnX8 ; (7)将序列M，按照种子key 1选取的DNA映射规则进行编码，得到长度为 mXnX8/2的DNA序歹lj N ; (8)利用Logistic混沌映射，在初值为z。，系统参数为y 3的条件下，产生长度为 mXnX8/2的混沌序列Zi ; (9)利用阈值函数f (x)将混沌序列转化成二值序列，当Zi = 1时，该位置的碱基 取补，否则不变； (10)将改变后的DNA序列按照种子key2选取的DNA映射规则进行解码操作，还原 成二值序列，重构图像矩阵，得到加密后的灰度图像。 其中，步骤(1)_(5)是图像像素位置的置乱过程，步骤(6)-(10)是图像的像素值 扰乱过程本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于ＤＮＡ序列与多混沌映射的数字图像加密方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：　　　　（１）输入８位灰度图像Ａ（ｍ，ｎ），ｍ、ｎ为图像Ａ的行列维数；　　　　（２）利用Ｃｕｂｉｃ映射和小波函数分别以初值ｘ↓［０］，ｙ↓［０］，系统参数μ↓［１］，μ↓［２］产生两个混沌序列｛ｘ↓［ｍ］｝、｛ｙ↓［ｎ］｝；　　　　（３）将这两个序列按升序排列，得到两个新序列｛ｘ↓［ｍ］′｝、｛ｙ↓［ｎ］′｝；　　　　（４）将｛ｘ↓［ｍ］′｝、｛ｙ↓［ｎ］′｝各元素所在的位置之值替换原序列｛ｘ↓［ｍ］｝、｛ｙ↓［ｎ］｝中的该元素，得到两个新的序列｛ｘ↓［ｍ］″｝，｛ｙ↓［ｎ］″｝；　　　　（５）用这两个序列作为置乱矩阵的行地址和列地址，用此矩阵对图像像素位置进行置乱，得到灰度图像Ｂ（ｍ，ｎ）；　　　　（６）将图像Ｂ转化成一维的二值序列Ｍ，每个像素值由８位二进制表示，ｌｅｎｇｔｈ（Ｍ）＝ｍ×ｎ×８；　　　　（７）将序列Ｍ，按照种子ｋｅｙ１选取的ＤＮＡ映射规则进行编码，得到长度为ｍ×ｎ×８／２的ＤＮＡ序列Ｎ；　　　　（８）利用Ｌｏｇｉｓｔｉｃ混沌映射，在初值为ｚ↓［０］，系统参数为μ↓［３］的条件下，产生长度为ｍ×ｎ×８／２的混沌序列ｚ↓［ｉ］；　　　　（９）利用阈值函数ｆ（ｘ）将混沌序列转化成二值序列，当ｚ↓［ｉ］＝１时，该位置的碱基取补，否则不变；　　　　（１０）将改变后的ＤＮＡ序列按照种子ｋｅｙ２选取的ＤＮＡ映射规则进行解码操作，还原成二值序列，重构图像矩阵，得到加密后的灰度图像。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张强，薛香莲，魏小鹏，
申请(专利权)人：大连大学，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]