一种基于动态DNA和4D混沌的彩色图像加密方法技术

本发明专利技术针对基于传统静态DNA的图像加密的技术问题，提出一种基于动态DNA和4D混沌的彩色图像加密方法。该方法采用4D混沌产生2组4种混沌矩阵，分别对应红绿蓝三种通道的DNA混淆运算、动态DNA编码矩阵，三种通道的动态DNA扩散运算的规则矩阵和混沌矩阵。由于4D混沌的初始参数是采用哈希算法并由明文决定的，该加密方法能够抵御选择明文攻击，且能实现动态DNA加密。该方法的鲁棒性高，同时安全性好。

A Color Image Encryption Method Based on Dynamic DNA and 4D Chaos

【技术实现步骤摘要】
一种基于动态DNA和4D混沌的彩色图像加密方法
本专利技术涉及一种信息安全技术和数字图像处理领域，特别是图像的加密方法。
技术介绍
数字图像具有数据容量大、相邻像素间相关性强、高冗余度的本质特征，这使得传统的数据加密方法难以奏效。尽管大量的图像加密算法被提出，但还面临着一些新问题如：快速实时加密系统、产生一次性密钥的安全机制、具有较强的抵御各种攻击的能力等。混叠与DNA结合的图像加密方法是近年来颇受关注的热点方向之一。DNA运算涉及DNA混淆和扩散。DNA混淆仅仅改变每个DNA单元的值，而不改变其位置，仅采用DNA混淆无法保障其加密系统的安全性。因此，DNA混淆往往是与DNA扩散组合使用。由于改变位置的DNA扩散会降低加密系统的鲁棒性；此外，传统的DNA加密方法中DNA的编码是静态的，而针对静态DNA加密方法的简单改进依然无法满足高安全性的要求。因此，基于DNA的图像加密方法面临着如何同时满足高安全性和鲁棒性的技术挑战。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于动态DNA和4D混沌的彩色图像加密方法。解决上述技术问题采用如下技术措施：一种基于动态DNA和4D混沌的彩色图像加密方法按如下步骤进行：（1）加密：（i）初始秘钥和混合矩阵的生成：(a)待加密的图像表示为M，采用哈希算法产生原始秘钥Ko，表示为Ko=Ha(M)，其中Ha()为哈希函数；将得到的原始秘钥Ko与加盐秘钥Ks进行首尾连接式的结合，并再次使用哈希算法得到初始秘钥Ki，表示为Ki=Ha(Ko||Ks)；(b)使用初始秘钥Ki产生4D混沌系统的四个初始参数x0,y0,z0,u0,然后采用这些初始参数，通过4D混沌系统产生八种混沌矩阵，其中的Uc用于动态DNA编码，三种混沌矩阵Xc,Yc,Zc用于DNA混淆运算，四种混沌矩阵Xd,Yd,Zd,Ud用于动态DNA扩散运算；(c)将得到八种混沌矩阵Xc,Yc,Zc,Uc,Xd,Yd,Zd,Ud进行排序，根据排序和得到的索引，可以得到两组索引矩阵Xci,Yci,Zci,Uci和Rd,Gd,Bd,Udi；其中的Xci,Yci,Zci经过对4取模运算，得到矩阵X'ci,Y'ci,Z'ci,其中的Uci经过对8取模运算，得到动态DNA编码的规则矩阵De，其中的Udi经过对3取模运算，得到动态DNA扩散运算的规则矩阵Dd；然后，其中的X'ci,Y'ci,Z'ci经过编码得到DNA混淆运算的矩阵Rc,Gc,Bc。（ii）动态DNA编码：(a)将大小为m×n的待加密彩色图像分解为红绿蓝即R、G、B三个分量；(b)将R、G、B三个分量的每一个像素转化为8位的二进制数，表示为RB,GB,BB，其大小皆为m×8n；(c)结合动态编码的规则矩阵De，将RB,GB,BB动态地编码为RD,GD,BD。（iii）动态DNA混淆与扩散运算：(a)使用混沌矩阵Rc,Gc,Bc对RD,GD,BD进行DNA混淆运算；(b)使用Dd来随机地决定哪些行分别用Rd,Gd,Bd规则进行动态DNA扩散运算；(c)将动态DNA扩散运算的结果，采用动态DNA编码的逆过程作为解码规则，还原为8位二进制形式；然后将其转化为8位十进制的形式，三个分量合并即得到密文图像。（2）解密：由于该加密方法是完全对称和可逆的，解密过程是加密方法的逆过程。本专利技术的有益效果在于：(1)采用动态DNA编码，使密文的直方图分布更加均匀，能有效抵御统计分析攻击；(2)采用动态DNA扩散运算，提高加密方法安全性的同时增加其鲁棒性；(3)混沌初始值及产生的混沌矩阵与明文相关，能抵御最强的选择明文攻击，加密系统的安全性高。附图的说明附图1为本专利技术的加密流程图。附图2为动态DNA混淆和扩散运算的矩阵产生过程示意图。附图3为初始参数产生过程示意图。附图4为DNA的编码规则。附图5为DNA的XOR混淆运算规则。附图6为加盐秘钥和4D混沌的初始参数、控制参数。附图7为加解密结果，(a)-(d)为待加密图；(e)-(h)为加密的密文；(i)-(l)为解密图。附图8为2个测试图像的动态和静态DNA加密方法的密文直方图。附图9为2个测试图像的3种裁剪攻击测试结果。注：上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。具体实施方式下面详细说明本专利技术一种基于动态DNA和4D混沌的彩色图像加密方法的一个典型实施例，对本专利技术进行进一步的具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于本专利技术做进一步的说明，不能理解为对本专利技术保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本
技术实现思路
对本专利技术做出一些非本质的改进和调整，仍属于本专利技术的保护范围。本专利技术所述方法的具体实施方式如下：（1）图像的加密过程（如图1所示）分如下几个步骤：（i）初始秘钥和混合矩阵的生成：(a)待加密的图像表示为M，采用哈希算法产生原始秘钥Ko，表示为Ko=Ha(M)，其中Ha()为哈希函数；将得到的原始秘钥Ko与加盐秘钥Ks进行首尾连接式的结合，并再次使用哈希算法得到初始秘钥Ki，表示为Ki=Ha(Ko||Ks)；(b)使用初始秘钥Ki产生4D混沌系统的四个初始参数x0,y0,z0,u0,然后采用这些初始参数，通过4D混沌系统产生八种混沌矩阵，其中的Uc用于动态DNA编码，三种混沌矩阵Xc,Yc,Zc用于DNA混淆运算，四种混沌矩阵Xd,Yd,Zd,Ud用于动态DNA扩散运算；(c)将得到八种混沌矩阵Xc,Yc,Zc,Uc,Xd,Yd,Zd,Ud进行排序，根据排序和得到的索引，可以得到两组索引矩阵Xci,Yci,Zci,Uci和Rd,Gd,Bd,Udi；其中的Xci,Yci,Zci经过对4取模运算，得到矩阵X'ci,Y'ci,Z'ci,其中的Uci经过对8取模运算，得到动态DNA编码的规则矩阵De，其中的Udi经过对3取模运算，得到动态DNA扩散运算的规则矩阵Dd；然后，其中的X'ci,Y'ci,Z'ci经过编码得到DNA混淆运算的矩阵Rc,Gc,Bc，该过程如图2所示。（ii）动态DNA编码：(a)将大小为m×n的待加密彩色图像分解为红绿蓝即R、G、B三个分量；(b)将R、G、B三个分量的每一个像素转化为8位的二进制数，表示为RB,GB,BB，其大小皆为m×8n；(c)结合动态编码的规则矩阵De，将RB,GB,BB动态地编码为RD,GD,BD。（iii）动态DNA混淆与扩散运算：(a)使用混沌矩阵Rc,Gc,Bc对RD,GD,BD进行DNA混淆运算；(b)使用Dd来随机地决定哪些行分别用Rd,Gd,Bd规则进行动态DNA扩散运算；(c)将动态DNA扩散运算的结果，采用动态DNA编码的逆过程作为解码规则，还原为8位二进制形式；然后将其转化为8位十进制的形式，三个分量合并即得到密文图像。（2）解密：由于该加密方法是完全对称和可逆的，解密过程是加密方法的逆过程。下面结合实施例和附图对本专利技术的内容进行进一步的解释：在初始秘钥的生成过程中，哈希算法具体为SHA-512的哈希算法；初始秘钥Ki产生四个初始参数x0,y0,z0,u0的具体方法如图3所示，先将512比特分为8比特的64个块，再将64个块分为4块的16个组，块和组分别记为b和g，表示为：gj={b4j-3,b4j-2,b4j-1,b4j},其中1≤j≤16，接着，随机种子s的产生方法为s本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于动态DNA和4D混沌的彩色图像加密方法，其特征是按如下步骤进行： （1）加密： （i）初始秘钥和混合矩阵的生成：(a) 待加密的图像表示为M，采用哈希算法产生原始秘钥Ko，表示为Ko=Ha(M)，其中Ha()为哈希函数；将得到的原始秘钥Ko与加盐秘钥Ks进行首尾连接式的结合，并再次使用哈希算法得到初始秘钥Ki，表示为Ki=Ha(Ko||Ks)；(b) 使用初始秘钥Ki产生4D混沌系统的四个初始参数x0, y0, z0, u0, 然后采用这些初始参数，通过4D混沌系统产生八种混沌矩阵，其中的Uc用于动态DNA编码，三种混沌矩阵Xc, Yc, Zc用于DNA混淆运算，四种混沌矩阵Xd, Yd, Zd, Ud用于动态DNA扩散运算；(c)将得到八种混沌矩阵Xc, Yc, Zc, Uc, Xd, Yd, Zd, Ud进行排序，根据排序和得到的索引，可以得到两组索引矩阵Xci, Yci, Zci, Uci和Rd, Gd, Bd, Udi；其中的Xci, Yci, Zci经过对4取模运算，得到矩阵X'ci, Y'ci, Z'ci, 其中的Uci经过对8取模运算，得到动态DNA编码的规则矩阵De，其中的Udi经过对3取模运算，得到动态DNA扩散运算的规则矩阵Dd；然后，其中的X'ci, Y'ci, Z'ci经过编码得到DNA混淆运算的矩阵Rc, Gc, Bc；（ii）动态DNA编码：(a) 将大小为m×n的待加密彩色图像分解为红绿蓝即R、G、B三个分量；(b) 将R、G、B三个分量的每一个像素转化为8位的二进制数，表示为RB, GB, BB，其大小皆为m×8n；(c) 结合动态编码的规则矩阵De，将RB, GB, BB动态地编码为RD, GD, BD；（iii）动态DNA混淆与扩散运算：(a) 使用混沌矩阵Rc, Gc, Bc对RD, GD, BD进行DNA混淆运算；(b) 使用Dd来随机地决定哪些行分别用Rd, Gd, Bd规则进行动态DNA扩散运算；(c) 将动态DNA扩散运算的结果，采用动态DNA编码的逆过程作为解码规则，还原为8位二进制形式；然后将其转化为8位十进制的形式，三个分量合并即得到密文图像；（2）解密：由于该加密方法是完全对称和可逆的，解密过程是加密方法的逆过程。...

【技术特征摘要】
1.一种基于动态DNA和4D混沌的彩色图像加密方法，其特征是按如下步骤进行：（1）加密：（i）初始秘钥和混合矩阵的生成：(a)待加密的图像表示为M，采用哈希算法产生原始秘钥Ko，表示为Ko=Ha(M)，其中Ha()为哈希函数；将得到的原始秘钥Ko与加盐秘钥Ks进行首尾连接式的结合，并再次使用哈希算法得到初始秘钥Ki，表示为Ki=Ha(Ko||Ks)；(b)使用初始秘钥Ki产生4D混沌系统的四个初始参数x0,y0,z0,u0,然后采用这些初始参数，通过4D混沌系统产生八种混沌矩阵，其中的Uc用于动态DNA编码，三种混沌矩阵Xc,Yc,Zc用于DNA混淆运算，四种混沌矩阵Xd,Yd,Zd,Ud用于动态DNA扩散运算；(c)将得到八种混沌矩阵Xc,Yc,Zc,Uc,Xd,Yd,Zd,Ud进行排序，根据排序和得到的索引，可以得到两组索引矩阵Xci,Yci,Zci,Uci和Rd,Gd,Bd,Udi；其中的Xci,Yci,Zci经过对4取模运算，得到矩阵X'ci,Y'ci,Z'ci,其中的Uci经过对...

【专利技术属性】
技术研发人员：王君，吴春晓，刘振涛，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51