本发明专利技术涉及一种基于DNA动态编码的彩色图像加密方法，包括：通过彩色明文图像获得密钥；由密钥分别计算置乱和扩散过程中所用混沌系统的初始值和参数；将初始值和参数带入混沌系统迭代，得W1和W2，由W1得置乱矩阵K，W2得整数矩阵Y和索引矩阵Ind，根据Ind对Y进行DNA编码；利用矩阵K对明文图像逐行进行置乱，接着进行编码与扩散，直到所有的行完成DNA加密，最后对DNA矩阵进行解码、重组得最终的彩色密文图像。本发明专利技术通过采用SHA256函数来产生密钥，扩大了密钥空间，并且密钥的产生依赖于明文，能够有效抵抗明文攻击；将混沌特性与DNA动态编码相结合，进一步提高了安全性；同时按照图像的行进行置乱与扩散操作，便于并行计算，提高了效率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种彩色图像加密方法，特别是涉及一种基于DNA动态编码的彩色图 像加密方法。
技术介绍
在信息化时代的今天，计算机和各种智能终端的使用极大的加快了信息的传播， 并且我们生活中的绝大多数信息，如文档、音频、视频，特别是图像信息的传输更是离不开 网络的支持。网络一方面给人们的生活带来了便捷，但另一方面，一些不法分子会利用网络 来窃取信息，这就给人们的信息安全带来很大隐患，所以信息在网络传输过程中的安全和 保密问题也越来越受到人们的关注和重视。由于混沌系统具有随机性、确定性、遍历性和对 初值的高度敏感性等特点，目前已成为研究者们关注的焦点。美国学者Fridrich于1998 年提出了经典的图像加密模式，它包括两个阶段，即置乱阶段和扩散阶段。在置乱阶段，通 常只是对图像中的每个像素位置做处理，通过改变每个像素的位置来破坏图像中原有的空 间有序性和局部相关性，使得图像达到杂乱无章、无法识别并呈现一种类似噪声的目的。在 扩散阶段，一般是对图像中的像素值做处理，通过混沌系统产生的伪随机序列来对明文像 素进行掩盖，以达到窃密者无法辨认的目的，从而实现图像的加密。但是必须指出的是，这 两个阶段必须是一个可逆的过程，既然能对图像进行加密，那么也必定能够对图像进行解 密。绝大多数图像加密算法都是依照先置乱后扩散这样一个思路，最终达到了良好的加密 效果。但是这些算法大都采用低维混沌系统对图像进行加密，低维混沌系统产生的混沌序 列只是经过简单的反复迭代形成的，安全性不够好，并且计算机的计算精度也可能导致低 维混沌系统的混沌序列周期性比较短，随机性也较差，这都对图像的破解提供了突破口。因 此，新的加密系统的探索与研究是迫切需要的。 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。由于DNA密码学主要是以生物学技术的局限性为安 全依据，与计算能力无关，因此即使是量子计算机也无法攻破DNA密码学的保护，从而具有 更高的安全性。同时，由于DNA计算具有许多其它计算方式所不具备的特性，如超高并行 性、超低能耗等，加之DNA又具有超强存储能力，这使得DNA计算在密码学上具有先天的优 势。但是已有的基于DNA的加密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，导致了基于DNA密码学的加密方法还是理论多 于实践，况且现在已知的大多基于DNA加密的算法针对的主要是文字信息或者灰度图像信 息，考虑到彩色图像RGB分量之间的相关性，无法直接推广到彩色图像的加密中。此外，在 当前提出的结合DNA编码与混沌特性的图像加密算法中，选用的DNA编码规则是固定不变 的，同时由于DNA编码规则仅有8种，使得算法抗穷举攻击的能力很弱，加之很多算法缺少 与明文的联系，导致其抗明文攻击的能力不强，这都容易造成图像信息的泄露。
技术实现思路
为克服现有技术中的问题，本专利技术提供一种基于DNA动态编码的彩色图像加密方 法，摆脱了 DNA加密中的复杂生物操作，有效将混沌特性和DNA动态编码结合，同时考虑了 明文因素的影响，提高了算法的安全性，便于并行计算，提高了效率，且易于实现和控制。 本专利技术的技术方案是： -种基于DNA动态编码的彩色图像加密方法，包括以下步骤： 步骤1.输入大小为MXN的8位彩色图像P1，分离彩色图像RGB三基色分量， 得到分量矩阵Pi_R MN、Pi_GMN、Pi_BMN，每个分量矩阵的大小均为MXN，将分量矩阵Pi_R MN、Pi_ GMN、Pi_BMN按行排序得到大小为MX 3N的明文灰度图像P 2; 步骤2.利用SHA256函数对明文彩色图像？1进行计算，得到一组256位哈希值， 作为图像密钥Key，将该256位图像密钥Key换算为32个十进制数，平均分为四组，分别用 来计算置乱过程和扩散过程中所用CML混沌系统的初始状态值和参数； 步骤3.将步骤2中得到的用来计算置乱过程中的CML混沌系统初始状态值和参 数带入CML混沌系统中进行迭代，累计得到大小为MX 3N的状态值矩阵Wl，将状态值矩阵 Wl按行排序，得到大小为MX 3N的置乱矩阵K ; 步骤4.将步骤2中得到的用来计算扩散过程中的CML混沌系统初始状态值和参 数带入CML混沌系统中进行迭代，累计得到大小为MX 3N的状态值矩阵W2,将状态值矩阵 W2中每行以8个状态值为一组，分别对每个状态值建立索引值； 步骤5.将步骤4中状态值矩阵W2转化为整数矩阵Y，将矩阵Y按步骤4中的索引 值转换为对应的DNA矩阵； 步骤6.利用置乱矩阵K的第i行对明文灰度图像P2的第i行进行置乱， I ^ i ^ M ； 步骤7.将明文灰度图像匕中已完成置乱的第i行像素按照步骤4中得到的索引 值转换为对应的DNA序列，并对DNA序列进行扩散操作； 步骤8.令i = i+Ι，循环步骤6和步骤7,直到明文灰度图像匕中的每一行像素 都完成DNA加密； 步骤9.将加密过后的DNA矩阵解码为大小为MX 24N的二进制矩阵Q1，对矩阵Ql 进行十进制转换操作，得到大小为MX 3N的十进制密文矩阵Q2,将密文矩阵Q2平均分为3 个大小为MXN的矩阵P3_RMN、P 3_GMN、P3_BMN，将三个矩阵合并重组，得到大小为MXN的彩色 密文图像P 3，即得到加密图像。 上述的，所述步骤2具体包含如下内容： 步骤2. 1.采用LTS映射作为CML混沌系统子模型的局部映射，LTS映射定义为：，通过CML混沌系统来生 成混沌序列，具体表达式如下：，式中，η = 1，2，...，η为时间索引或状态 索引，i，j，k为映像格子的位置索引，X;,为CML模型中第i个格子在时空η的状态值，且 (K《<U 1彡j彡L，1彡k彡L，i = 1，2,. . .，L，L为CML混沌系统中的耦合映像格子数， P，q，ε e ，n e 为 CML 模型的参数值。 步骤2.2.利用SHA256函数对明文彩色图像？1进行计算，得到一组256位的 哈希值，将其作为图像密钥，然后将256位的哈希值换算为32个十进制数，并将其定义 为 Ic1, k2,. . .，k32，将 Ic1, k2,. . .，k32平均分为四组，分别用 k D k2,. . .，ks，k9, k1Q,. . .，k16， km k18，· · ·，k24，k25, k26，· · ·，k32表不； 步骤2. 3.利用Ic1, k2, . . .，kjP k 9, k1()，. . .，k16通过计算公式计算用于 置乱过程中的CML混纯系统的8个初始状态值'和8个参数值r1，计算公式为，其中，4为耦合映像格子的状态值，且〇 < ^ < 1; r1为 LTS映射的控制参数，且0 < 4 ; 步骤2. 4.利用k17, kls, . . .，k24和k 25, k26, . . .，k32通过公式计算用于扩散过程中的 CML混沌系统的8个初始状态值和8个参数值？，公式为 优选的，所述步骤3具体包含如下内容： 步骤3. 1.将步骤2. 3中得到本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于DNA动态编码的彩色图像加密方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1.输入大小为M×N的8位彩色图像P1，分离彩色图像P1的RGB三基色分量，得到分量矩阵P1_RMN、P1_GMN、P1_BMN，每个分量矩阵的大小均为M×N，将分量矩阵P1_RMN、P1_GMN、P1_BMN按行排序得到大小为M×3N的明文灰度图像P2；步骤2.利用SHA256函数对明文彩色图像P1进行计算，得到一组256位哈希值，作为图像密钥Key，将该256位图像密钥Key换算为32个十进制，平均分为四组，分别用来计算置乱过程和扩散过程中所用CML混沌系统的初始状态值和参数；步骤3.将步骤2中得到的用来计算置乱过程中的CML混沌系统初始状态值和参数带入CML混沌系统中进行迭代，累计得到大小为M×3N的状态值矩阵W1，将状态值矩阵W1按行排序，得到大小为M×3N的置乱矩阵K；步骤4.将步骤2中用来计算扩散过程中的CML混沌系统初始状态值和参数带入CML混沌系统中进行迭代，累计得到大小为M×3N的状态值矩阵W2，将状态值矩阵W2中每行以8个状态值为一组，分别对每个状态值建立索引值；步骤5.步骤4中状态值矩阵W2转化为整数矩阵Y，将矩阵Y按步骤4中的索引值转换为对应的DNA矩阵；步骤6.利用置乱矩阵K的第i行对明文灰度图像P2的第i行进行置乱，1≤i≤M；步骤7.将明文灰度图像P2中已完成置乱的第i行像素按照步骤4中得到的索引值转换为对应的DNA序列，并对转换得到的DNA序列进行扩散操作；步骤8.令i＝i+1，重复步骤6和步骤7，直到明文灰度图像P2中的每一行像素都完成DNA加密；步骤9.将加密过后的DNA矩阵解码为大小为M×24N的二进制矩阵Q1，对矩阵Q1进行十进制转换操作，得到大小为M×3N的十进制密文矩阵Q2，将密文矩阵Q2平均分为3个大小为M×N的矩阵P3_RMN、P3_GMN、P3_BMN，将三个矩阵合并重组，得到大小为M×N的彩色密文图像P3，即得到加密图像。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：柴秀丽，甘志华，李征，杨康，高育林，程云龙，段修庆，
申请(专利权)人：河南大学，
类型：发明
国别省市：河南;41
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