基于比特置换与动态DNA编码的混沌图像加密方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术首先利用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。本发明专利技术不仅密钥空间大、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。

【技术实现步骤摘要】
基于比特置换与动态DNA编码的混沌图像加密方法
本专利技术涉及数字图像加密的
，具体涉及一种基于比特置换与动态DNA编码的混沌图像加密方法。
技术介绍
随着多媒体技术和网络技术的快速发展，数字图像处理已经广泛应用到了人类社会生活的各个方面，如：遥感、工业检测、医学、气象、通信、侦查和智能机器人等。因此，图像信息越来越得到重视。保护图像数据的安全就显得更加重要，尤其是在军事、商业和医疗等特殊领域。图像加密技术已成为一种有效保护所传输数字图像的方法。图像数据具有数据量大，相关性强、冗余度高等特点，现有的经典加密方法因其加密效率低，安全性不高等原因，已不能满足图像加密的需要。作为一种复杂的非线性系统，混沌系统具有初值敏感性、伪随机性、非周期性等特点，与密码学所要求的特性相吻合。将混沌序列作为随机密钥，可以达到与一次一密相同的加密效果，在理论上也是不可破的。因此，混沌加密技术在信息安全领域，尤其是图像加密领域得到了广泛的应用。目前，对于混沌序列的使用，大多数基于混沌系统的图像加密算法的混淆与扩散结构受计算机字长的限制，会导致混沌的动力学特性退化，特别是低维混沌系统，这严重影响了混沌加密本文档来自技高网...

【技术保护点】
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I

【技术特征摘要】
1.一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'＝{sqb′1,sqb'2,sqb′3,...,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。2.根据权利要求1所述的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，所述DAN序列SQ为GenBank数据库中ID号为NZ_LOZQ01000068的DNA序列。3.根据权利要求1所述的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，所述散列值和生成混沌初始化参数的方法为：散列值的长度为512比特，DNA序列SQ生成的散列值用十六进制表示为：9caa44db566cfe1f6a98c4991fffe891bb7d7fdf840449a026e923e9feab60b8b7ed7a3933a757358c2c9441366976fab4bda222f9b5e4df814322e0dc12c13f，其二进制表示为{k1,k2,k3,…,k512}，将其分为64组，每组包含8个比特位，则散列值为K＝{k′1,k'2,k′3,...,k'64}；根据散列值K＝{k′1,k'2,k′3,...,k'64}，按照如下公式计算超混沌Chen系统的初值x0，y0，z0和ω0：其中，v＝6(u-1)，u＝1,2,3,4。4.根据权利要求3所述的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，所述超混沌Chen系统产生的索引序列的方法是：超混沌Chen系统方程为：其中，x、y、z和ω为系统的状态变量，u1、u2、u3、u4和r为系统的控制参数，在u1＝35、u2＝3、u3＝12、u4＝7和0.085≤r≤0.798时，系统表现为超混沌状态；在给定初始状态值x0、y0、z0和ω0，使混沌系统处于超混沌状态下，通过迭代，产生4个给定长度的混沌序列，舍去起始端数据，从中取出L个不重复的值，可以得到4个离散实数值超混沌序列A1:{a11,a12,…,a1L}；A2:{a21,a22,…,a2L}；A3:{a31,a32,…,a3L}；A4:{a41,a42,…,a4L}为统一实数序列的值域，仅取4个序列的小数部分，可以得到新的序列，分别为B1:{b11,b12,…,b1L}；B2:{b21,b22,…,b2L}；B3：{b31,b32,…,b3L}；B4：{b41,b42,…,b4L}，即：

【专利技术属性】
技术研发人员：张勋才，牛莹，张焕龙，王英聪，周正，王延峰，孙军伟，
申请(专利权)人：郑州轻工业学院，
类型：发明
国别省市：河南,41