基于1-LDCMS系统和动态DNA编码的彩色图像加密算法技术方案

本发明专利技术提出了一种基于1

【技术实现步骤摘要】
基于1
‑
LDCMS系统和动态DNA编码的彩色图像加密算法


[0001]本专利技术涉及一种基于1
‑
LDCMS系统和动态DNA编码的彩色图像加密算法，属于图像加密


技术介绍

[0002]互联网时代的飞速发展，使得文本、图像、音频、视频等媒介方式得到了广泛的应用。其中，数字图像因其直观、形象的特点在多媒体渠道上得到大量的传播和使用。此类信息通常携带特有的隐私信息，防止信息泄露是安全领域的重要课题。与传统的文本信息不同，数字图像因其数据量大、冗余度高等特点，传统的加密方法如AES、DES等加密数字图像时存在效率低的缺点，因此寻求安全、高效的加密算法实现图像信息的传输变得尤为重要。
[0003]混沌具有初值敏感性、伪随机性、遍历性等特点，与密码系统的密钥敏感性、随机性等特性十分吻合。因此，研究人员逐步将混沌系统应用于密码学领域。其中，加密过程中常见的混沌系统分为两类，低维混沌系统和高维混沌系统。两类混沌系统各有优缺点，低维混沌系统通常简单、高效，但是密钥空间较小、周期窗口明显；高维混沌系统通常复杂度高、随机性强，但是运行时间长、效率低。为了解决上述问题，一方面引入改进的低维混沌系统，该类混沌不仅结构简单，而且随机性强、效率更高。另一方面，单一的基于混沌的图像加密算法已不再完全满足目前的加密需要，将混沌图像加密与DNA技术相结合可以使得加密系统具有更高的安全性和更好的发展前景。
[0004]现有的基于DNA编码的混沌图像加密算法适用于彩色图像的相对较少，多数采用的混沌系统使得算法的计算复杂度增加，并且明文与密钥之间毫无关联，密钥敏感性弱。另外，大多加密算法采用的编码方式为固定编码或者单一的运算方式，降低了破译的难度。鉴于目前存在的问题，本专利技术提出了一种基于1
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LDCMS系统和动态DNA编码的彩色图像加密算法。加密方案中利用明文图像生成密钥，可有效抵御选择明文和已知明文攻击。改进的一维混沌系统1
‑
LDCMS与Chebyshev混沌系统结合使用，大大增强了算法的随机性。混沌序列动态控制8条DNA编码规则以及多种DNA运算规则，实现了彩色图像的比特位级别的扩散，提高算法的安全性和抵御常见攻击的能力。与多轮操作才能完成加密的算法相比，仅需要一轮操作即可有效地实现加密，降低了计算复杂度，实时性强。

技术实现思路

[0005]结合上述分析，针对现有的DNA编码和混沌相结合的图像加密算法所存在的缺点，本专利技术提出了一种基于1
‑
LDCMS系统和动态DNA编码的彩色图像加密算法。该方案可以有效地解决密钥与明文毫无关联性的问题，增强了密钥敏感性的同时还增大了密钥空间。此外，通过采用改进的一维混沌系统和经典一维混沌系统相结合的双混沌系统形式，提高了加密效率，克服了混沌系统密钥空间小、耗时长的困难。另外，混沌序列为每个像素值动态选择DNA编码和运算规则，大大增加了编码的难度以及破译的难度。因此，本专利技术能够安全、高效的实现图像信息的加密。
[0006]一种基于1
‑
LDCMS系统和动态DNA编码的彩色图像加密算法，包括以下步骤：
[0007]步骤S1：图像的通道分解，输入彩色明文图像P(M,N,3)，将彩色图像分解为R、G、B通道矩阵；
[0008]步骤S2：生成与明文有关密钥a，利用明文图像的各通道矩阵的均值生成算法中所需密钥：
[0009]a＝8+floor(mean(P)
×
10
‑2)
[0010]其中，floor()是向下取整函数，mean()是取平均值函数。
[0011]步骤S3：生成混沌序列和密钥序列，密钥作为初值和控制参数分别输入混沌系统，其中1
‑
LDCMS系统经过系统迭代后生成混沌序列，Chebyshev混沌系统经过迭代后生成混沌序列，混沌序列再进行循环移位操作后生成密钥序列：
[0012](1)1
‑
LDCMS系统生成混沌序列的过程
[0013]将步骤S2中生成的与明文有关密钥a、已知密钥b、x(1)输入1
‑
LDCMS系统，为了避免暂态效应，提高随机性，混沌系统首先迭代N次，其中N处于300
‑
500之间，然后抛弃前N次迭代的结果继续迭代MN次，生成混沌序列Seq。
[0014](2)Chebyshev混沌系统生成密钥序列的过程
[0015]将已知密钥p、k(1)输入Chebyshev混沌系统，并迭代MN次生成混沌序列；然后将混沌序列转化为1
‑
255之间的十进制整数，再将十进制转换为二进制；最后将二进制混沌序列进行循环移位操作，得到密钥序列K_Seq：
[0016]K_Seq＝cirshift(K_Seq,1)
[0017]其中，cirshift()是循环移位函数。
[0018]步骤S4：通道矩阵分别进行动态DNA编码、DNA加法、DNA异或、DNA减法以及DNA互补操作，其中DNA编码、各种DNA运算控制规则都由混沌序列生成的，生成过程以及各种DNA操作如下：
[0019]步骤S41：将1
‑
LDCMS系统在步骤S3的基础上继续进行迭代4MN次，生成混沌序列S，并将混沌序列转换为1
‑
255之间的十进制整数：
[0020]S＝abs(round(S*255))
[0021]其中，abs()是绝对值函数，round()是四舍五入函数。
[0022]步骤S42：继续将S进行数值处理后生成DNA编码和各种DNA操作的控制规则：
[0023]R1＝mod(S(1:MN),8)+1
[0024]R2＝mod(S(MN+1:2MN),8)+1
[0025]R3＝mod(S(2MN+1:3MN),8)+1
[0026]R4＝mod(S(3MN+1:4MN),8)+1
[0027]其中，mod()是取模函数。
[0028]步骤S43：在R1的控制下进行DNA编码，在R2的控制下进行DNA加法，在R3的控制下进行DNA异或，在R4的控制下进行DNA减法，每个像素值都拥有各自的DNA操作规则。其中，DNA编码规则表、DNA加法规则表、DNA异或规则表、DNA减法规则表如下：
[0029]表1 DNA编码规则表
[0030]规则规则1规则2规则3规则4规则5规则6规则7规则800AACCGGTT
01CGATATCG10GCTATAGC11TTGGCCAA
[0031]表2 DNA加法规则表
[0032]+ACGTAACGTCCATGGGTACTTGCA
[0033]表3 DNA异或规则表
[0034][0035]表4 DNA减法规则表
[0036]‑
ACGTACGTACACGTGTACGTGTAC
[0037]步骤S本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于1
‑
LDCMS系统和动态DNA编码的彩色图像加密算法，其特征在于：包括以下步骤：步骤S1：图像的通道分解：输入彩色明文图像P(M,N,3)，将彩色图像分解为R、G、B通道矩阵；步骤S2：生成与明文有关密钥，利用明文图像的各通道矩阵的均值生成算法中所需密钥：a＝8+floor(mean(P)
×
10
‑2)其中，floor()是向下取整函数，mean()是取平均值函数；步骤S3：密钥作为初值和控制参数分别输入混沌系统，其中1
‑
LDCMS系统经过系统迭代后生成混沌序列，Chebyshev混沌系统经过迭代后生成混沌序列，混沌序列再进行循环移位操作后生成密钥序列；步骤S4：通道矩阵分别进行动态DNA编码、DNA加法、DNA异或、DNA减法以及DNA互补操作，其中DNA编码、上述DNA运算规则都由混沌序列生成；经过DNA运算和操作后生成新的DNA矩阵；步骤S5：得到的DNA矩阵在混沌序列的控制下进行索引置乱，扰乱各个碱基的位置，实现比特级的置乱；步骤S6：将置乱后的DNA矩阵进行动态DNA解码以使DNA矩阵变成十进制像素矩阵；步骤S7：将DNA解码后的矩阵、混沌序列以及密钥序列进行异或操作，并将通道矩阵合并后输出密文图像，加密完成；步骤S8：对图像进行解密处理。2.根据权利要求1所述的基于1
‑
LDCMS系统和动态DNA编码的彩色图像加密算法，其特征在于：所述步骤S2中采用的2种混沌映射：(1)1
‑
LDCMS系统的数学定义公式如下：x
n+1
＝a8(1+8asin(πx
n
)
b
)mod1其中，x
n
为1
‑
LDCMS系统的变量，a、b为1
‑
LDCMS系统的控制参数，x
n+1
∈[0,1]，a∈[0.59,15]；(2)Chebyshev混沌系统的数学定义公式如下：k
n+1
＝cos(parccosk
n
)其中，k
n
为Chebyshev混沌系统的变量，p为Chebyshev混沌系统的控制参数，k
n+1
∈[0,1]。3.根据权利要求1所述的基于1
‑
LDCMS系统和动态DNA编码的彩色图像加密算法，其特征在于：所述步骤S3中混沌序列和密钥序列的生成步骤如下：(1)1
‑
LDCMS系统生成混沌序列的过程将步骤S2中生成的与明文有关密钥a、已知密钥b、x(1)输入1
‑
LDCMS系统，为了避免暂态效应，提高随机性，混沌系统首先迭代N次，其中N处于300
‑
500之间，然后抛弃前N次迭代的结果继续迭代MN次，生成混沌序列Seq；(2)Chebyshev混沌系统生成密钥序列的过程将已知密钥p、k(1)输入Chebyshev混沌系统，并迭代MN次生成混沌序列；然后将混沌序列转化为1
‑
255之间的十进制整数，再将十进制转换为二进制；最后将二进制混沌序列进行
循环移位操作，得...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘爽，梁仲月，孟佳娜，云健，左莉，
申请(专利权)人：大连民族大学，
类型：发明
国别省市：