一种基于超混沌系统和多级置乱的图像加密方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于超混沌系统和多级置乱的图像加密方法，本发明专利技术首先通过超混沌系统得到超混沌序列K，将原始图像转换为大小为L=H×W的二维矩阵，其中H和W分别为矩阵的行和列的维数，然后将原始图像像素信息转化为一维向量序列P，通过超混沌序列K产生的索引序列对序列P执行像素级、位级及DNA级置乱，通过映射序列对像素序列执行异或运算，经过二进制位转换、DNA编码及DNA碱基运算对原始图像进行加密得到加密后的DNA序列，将其转化为二进制位序列B2，最后将序列B2转换为加密图像；本发明专利技术在像素级、位级和DNA级分别对图像进行置乱、加密，密钥敏感性高，有效提高了图像的加密效果，能有效抵御统计性分析和穷举分析等攻击操作，安全性高。

An image encryption method based on hyperchaotic system and multilevel scrambling

The invention discloses an image encryption method based on hyperchaos system and multistage scrambling. First, the hyperchaos sequence K is obtained by the hyperchaos system, and the original image is converted to a two-dimensional matrix of L=H x W, in which H and W are the rows and columns of the matrix respectively, then the pixel information of the original image is converted into one. Vector sequence P, through the index sequence generated by the hyperchaotic sequence K, performs pixel level, bit level and DNA scrambling of sequence P. The pixel sequence is executed by the sequence of mapping, and the original image is encrypted through binary bit conversion, DNA coding and DNA base operation to get the encrypted DNA sequence, which is converted to two The sequence B2 is used to convert the sequence B2 into encrypted image. The invention is scrambled and encrypted at the pixel level, bit level and DNA level respectively, and the key sensitivity is high. It effectively improves the encryption effect of the image, and can effectively resist the attack operations such as statistical analysis and exhaustive analysis, and has high security.

【技术实现步骤摘要】
一种基于超混沌系统和多级置乱的图像加密方法
本专利技术涉及数字图像加密
，尤其涉及一种基于超混沌系统和多级置乱的图像加密方法。
技术介绍
随着信息技术的发展，作为一种重要的媒介，图像通过互联网广泛传播，如何防止图像被非法传播是近年来的研究热点之一，因为图像具有容量大、相关性强和冗余性高等特点，传统的加密方法，比如高级数据加密标准(ADES)、国际数据加密算法(IDEA)等，往往都不能直接应用于图像加密。混沌系统具有一些天然的特点：伪随机性、对初始值及参数的极度敏感性、遍历性和不可预测性，这些特点为图像加密提供了有利条件，已有大量采用混沌系统来进行图像加密的成果；图像加密的操作一般分成两种：扩散和置乱，前者主要改变图像中像素内容，后者主要改变图像中像素的位置，已有的成果存在一些缺点，比如说，采用的混沌系统的维度低或者参数少，抗破解能力低；加密操作只在像素级进行，未充分利用更低级别数据的信息；扩散操作与置乱操作独立进行，未将两者有机结合起来，单一的混沌映射构成的加密算法无法保证所加密的图像具有较高安全性。DNA是生物体内遗传信息储存的重要载体，在生物体遗传代谢中发挥重要作用，由于其具有超大规模并行性、超高的存储密度、超低的能耗以及独特的分子结构与分子间识别机制决定了其突出的信息存储及信息处理能力，DNA分子在信息加密、隐藏、认证等信息安全
具有巨大的发展潜力，为现代密码学的发展提供了一个新途径。为了提高图像加密的效果，本算法采用一种超混沌系统和DNA计算方法，在像素级、位级和DNA级分别对图像进行置乱、加密，达到了理想的图像加密效果。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提出一种基于超混沌系统和多级置乱的图像加密方法。具体的，一种基于超混沌系统和多级置乱的图像加密方法，包括以下步骤：S1.通过超混沌系统得到超混沌序列K；S2.将原始图像转换为大小为L＝H×W的二维矩阵，其中H和W分别为矩阵的行和列的维数；S3.将原始图像像素信息转化为一维向量序列P，通过所述超混沌序列K对所述序列P执行二进制位转换、DNA转换并分别对其像素级、位级及DNA级置乱及加密，得到加密后的二进制位序列B2；S4.将所述序列B2转换为加密图像。进一步的，所述超混沌系统方程为其中x、y、z、ω为系统的状态变量，a、b、c、d、e、f、g为系统的控制参数，当a＝35,b＝3,c＝35,d＝5,e＝1,f＝0.2,g＝0.3时，系统呈现出超混沌行为，所述超混沌序列K的生成具体方法为：给定初始状态值x0、y0、z0、ω0令系统处于超混沌状态下，通过迭代产生4个混沌序列，将前j-1次产生的混沌序列丢弃，将第j次迭代生成的4个状态值按Sj＝{xj，yj，zj，ωj}进行合并并对其进行N次迭代，得到超混沌序列进一步的，所述步骤S3的具体实施方法为：S31.将原始图像像素信息转化为一维向量序列P，通过所述超混沌序列K得到索引序列,并用得到的索引序列对所述序列P执行像素级置乱，得到序列P0；S32.从所述超混沌序列K中提取相邻的L项，按映射算法将其映射到[0,255]区间，得到序列S，将所述序列P0与所述序列S执行异或操作，得到序列P1；S33.将所述序列P1编码成二进制位序列B；S34.通过所述超混沌序列K得到索引序列,并用得到的索引序列对所述序列B执行位级置乱，得到序列B0；S35.根据DNA编码规则将所述序列B0编码为DNA序列D；S36.生成MASK图像序列M并根据所述DNA编码规则将其编码为DNA序列D1；S37.对所述序列D执行DNA级置乱，得到置乱后的DNA序列D0，根据DNA运算规则对所述序列D0和所述序列D1中的第i个核酸碱基进行运算加密，得到DNA序列D2；S38.根据所述DNA编码规则对所述序列D2中的第i个核酸碱基进行DNA解码，得到二进制位序列B2。进一步的，所述步骤S31的具体实施方法为：从所述超混沌序列K中提取前L项作为一个子序列并按升序排序，获取原始数据在排序后序列中的位置，即索引序列i1x，x＝1、2、…L，并根据索引序列i1x对像素信息进行置乱，即得到置乱后的像素信息序列P0。进一步的，所述步骤S34的具体实施方法为：从所述超混沌序列K中提取相邻的8L项作为一个子序列并按升序排序，获取原始数据在排序后序列中的位置，即索引序列i2x，x＝1、2、…L…8L，并根据索引序列i2x对位级信息进行置乱，即得到置乱后的位级信息序列B0。进一步的，所述DNA编码规则包括8种编码子规则，分别为规则1、2、3、4、5、6、7、8，待编码序列对应的编码子规则按照公式Rule＝mod(Si,8)+1计算确定，其中，Si是按照所述映射算法得到的序列，mod是取模运算符，其运算结果是“Rule”，根据“Rule”的值选择对应的编码子规则；所述DNA运算规则包括加法运算规则、减法运算规则及异或运算规则，所述DNA运算规则通过公式Op＝mod(Si,3)+1计算确定，其中，Si是按照所述映射算法得到的序列，mod是取模运算符，当Op的值为1、2、3时，分别表示DNA加法、减法、异或运算；所述映射算法为：其中ki和Si分别是映射前后的值，mod是取模运算符，|·|是绝对值运算符，是向下取整运算符。进一步的，所述步骤S35的具体实施方法为：从所述超混沌序列K中提取相邻的4L项，按所述映射算法将其映射到[0,255]区间，得到序列S1，通过公式Rule＝mod(Si,8)+1得到每对二进制位对应的编码子规则，根据对应的编码子规则对所述序列B0中的第i对二进制位进行DNA编码得到DNA序列D，其中i＝1，2，…，4L。进一步的，所述步骤S36的具体实施方法为：从所述超混沌序列K中提取相邻的L项，根据映射算法将其映射到[0,255]区间，生成MASK图像序列M，将所述序列M编码成位序列B1，从所述超混沌序列K中提取相邻的4L项，根据映射算法将其映射到[0,255]区间，得到序列S2，通过公式Rule＝mod(Si,8)+1得到每对二进制位对应的编码子规则，根据对应的编码子规则对所述序列B1中的第i对二进制位进行DNA编码得到DNA序列D1，其中i＝1，2，…，4L。进一步的，所述步骤S37的具体实施方法为：从所述超混沌序列K中提取相邻的4L项作为一个子序列并按升序排序，获取原始数据在排序后序列中的位置，即索引序列i3x，x＝1、2、…L…4L，并根据索引序列i3x对DNA级信息进行置乱，即得到置乱后的DNA级信息序列D0，从所述超混沌序列K中提取相邻的4L项，根据映射算法将其映射到[0,255]区间，得到序列S3，根据所述DNA运算规则对所述序列D0和所述序列D1中的第i个核酸碱基进行运算加密，得到DNA序列D2，其中i＝1，2，…，4L。进一步的，所述步骤S38具体实施方法为：从所述超混沌序列K中提取相邻的4L项，根据所述映射算法将其映射到[0,255]区间，得到序列S4，通过公式Rule＝mod(Si,8)+1得到每对二进制位对应的编码子规则，根据编码子规则对所述序列D2的第i个核酸碱基进行逆向解码，得到二进制序列B2，其中i＝1，2，…，4L。本专利技术的有益效果在于：采用超混沌系统和DNA编码的计算方法，对原始图像序列进行二进制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于超混沌系统和多级置乱的图像加密方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.通过超混沌系统得到超混沌序列K；S2.将原始图像转换为大小为L＝H×W的二维矩阵，其中H和W分别为矩阵的行和列的维数；S3.将原始图像像素信息转化为一维向量序列P，通过所述超混沌序列K对所述序列P执行二进制位转换、DNA转换并分别对其像素级、位级及DNA级置乱及加密，得到加密后的二进制位序列B2；S4.将所述序列B2转换为加密图像。

【技术特征摘要】
1.一种基于超混沌系统和多级置乱的图像加密方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.通过超混沌系统得到超混沌序列K；S2.将原始图像转换为大小为L＝H×W的二维矩阵，其中H和W分别为矩阵的行和列的维数；S3.将原始图像像素信息转化为一维向量序列P，通过所述超混沌序列K对所述序列P执行二进制位转换、DNA转换并分别对其像素级、位级及DNA级置乱及加密，得到加密后的二进制位序列B2；S4.将所述序列B2转换为加密图像。2.根据权利要求1所述的一种基于超混沌系统和多级置乱的图像加密方法，其特征在于：所述超混沌系统方程为其中x、y、z、ω为系统的状态变量，a、b、c、d、e、f、g为系统的控制参数，当a＝35,b＝3,c＝35,d＝5,e＝1,f＝0.2,g＝0.3时，系统呈现出超混沌行为，所述超混沌序列K的生成具体方法为：给定初始状态值x0、y0、z0、ω0，通过迭代产生4个混沌序列，将前j-1次产生的混沌序列丢弃，将第j次迭代生成的4个状态值按Sj＝{xj，yj，zj，ωj}进行合并并对其进行N次迭代，得到超混沌序列3.根据权利要求2所述的一种基于超混沌系统和多级置乱的图像加密方法，其特征在于，所述步骤S3的具体实施方法为：S31.将原始图像像素信息转化为一维向量序列P，通过所述超混沌序列K得到索引序列,并用得到的索引序列对所述序列P执行像素级置乱，得到序列P0；S32.从所述超混沌序列K中提取相邻的L项，按映射算法将其映射到[0,255]区间，得到序列S，将所述序列P0与所述序列S执行异或操作，得到序列P1；S33.将所述序列P1编码成二进制位序列B；S34.通过所述超混沌序列K得到索引序列,并用得到的索引序列对所述序列B执行位级置乱，得到序列B0；S35.根据DNA编码规则将所述序列B0编码为DNA序列D；S36.生成MASK图像序列M并根据所述DNA编码规则将其编码为DNA序列D1；S37.对所述序列D执行DNA级置乱，得到置乱后的DNA序列D0，根据DNA运算规则对所述序列D0和所述序列D1中的第i个核酸碱基进行运算加密，得到DNA序列D2；S38.根据所述DNA编码规则对所述序列D2中的第i个核酸碱基进行DNA解码，得到二进制位序列B2。4.根据权利要求3所述的一种基于超混沌系统和多级置乱的图像加密方法，其特征在于，所述步骤S31的具体实施方法为：从所述超混沌序列K中提取前L项作为一个子序列并按升序排序，获取原始数据在排序后序列中的位置，即索引序列i1x，x＝1、2、…L，并根据索引序列i1x对像素信息进行置乱，即x＝1、2、…L，得到置乱后的像素信息序列P0。5.根据权利要求3所述的一种基于超混沌系统和多级置乱的图像加密方法，其特征在于，所述步骤S34的具体实施方法为：从所述超混沌序列K中提取相邻的8L项作为一个子序列并按升序排序，获取原始数据在排序后序列中的位置，即索引序列i2x，x＝1、2、…L…8L，并根据索引序列i2x对位级信息进行置乱，即x＝1、2、…L…8L，得到置乱后的位级信息序列B0。6.根据权利要求3所述的一种基于超混沌系...

【专利技术属性】
技术研发人员：李太勇，杨明高，吴江，井欣，
申请(专利权)人：西南财经大学，
类型：发明
国别省市：四川,51