一种基于基因杂交和基因突变的图像DNA加密存储方法技术

本发明专利技术公开了一种基于基因杂交和基因突变的图像DNA加密存储方法，技术方案基于基因杂交以及基因突变机制对图像数据进行DNA加密存储。考虑到DNA存储系统的易出错的特性，在基因突变这一加密步骤设计中，用于加密像素的基因序列满足GC含量50％左右，均聚物长度不超过2及相互之间汉明距离大于3等限制条件。同时基因杂交及基因突变具有多变性及混淆性，本方法能够抵抗常见的密码学攻击手段。在易发生错误的DNA存储系统中，密文DNA序列表现出较强的鲁棒性，即便存在较高碱基替换率及序列丢失率时，仍可成功解密。该加密方法实现简单，可以应用在任何DNA存储系统并解决其数据安全问题。用在任何DNA存储系统并解决其数据安全问题。用在任何DNA存储系统并解决其数据安全问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于基因杂交和基因突变的图像DNA加密存储方法


[0001]本专利技术属于密码学及分子生物学
，具体涉及一种基于基因杂交和基因突变的图像DNA加密存储方法。

技术介绍

[0002]随着数据存储技术的不断发展，科学家们发现DNA分子具有较长的保质期，较高的数据容量以及低能耗等特点，是一种能够满足未来指数级数据增长需求的极具潜力的存储介质。同时DNA分子的计算并行性及高信息密度使DNA密码学成为了传统密码学的潜在替代途径。目前DNA合成，扩增以及测序等技术的发展使DNA存储及加密数据得以实现。
[0003]同时，与传统存储介质相比，DNA分子在存储数据方面有着自己的劣势。受限于DNA本身的生化特性及当前DNA合成、扩增、测序等技术存在的缺陷，存储过程中，携带数据的DNA序列会发生碱基插入，删除，替换甚至序列丢失等错误，这给数据的可靠存取带来了极大的挑战。近期的一些研究表明，设计DNA序列满足50％的GC含量以及较短的均聚物长度(连续相同的碱基)可增强DNA分子的稳定性，从而降低碱基错误率。然而目前大多数基于DNA的加密方法在序列设计中没有考虑上述两个限制条件，数据存储序列在DNA存储系统中鲁棒性较弱，DNA密文序列存在大量噪声及丢失问题，给解密带来巨大困难。

技术实现思路

[0004]本专利技术克服现有技术的不足，提供了一种基于基因杂交和基因突变的图像DNA加密存储方法。
[0005]本专利技术的目的通过以下的技术方案实现：
[0006]S1：将待加密图像输入到哈希函数SHA3_256中，得到长度为256bit的哈希值H，通过哈希值H生成密钥；
[0007]S2：将待加密图像用所述密钥进行行置乱和列置乱，得到置乱图像；
[0008]S3：将置乱图像与密钥编码为DNA序列，通过碱基异或运算对两条DNA序列进行基因杂交操作，得到杂交DNA序列；将杂交DNA序列解码为二进制序列，把二进制序列排成图像，得到置换图像；
[0009]S4：对置换图像进行双重扩散，得到密文DNA序列；合成并存储所述密文DNA序列于DNA存储系统中。
[0010]优选的，生成密钥这一步骤，包括：通过公式(1)将所述哈希值H均分为32份；
[0011]H＝{h1,h2,h3,
……
,h
32
}
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(1)
[0012]通过公式(2)和公式(3)得到Rossler混沌系统三个初值x0，y0和z0；
[0013][0014][0015]将所述初值x0,y0和z0输入Rossler混沌系统，得到三条混沌序列x,y,z，其中d为中间变量；
[0016]通过公式(4)处理所述混沌序列x,y,z，得到三条整数序列x
′
,y
′
和z
′
；
[0017][0018]其中M，N为所述待加密图像的长和宽，并通过公式(5)生成密钥，其中reshape表示将序列以行优先顺序排成M
×
N矩阵，argsort表示将序列以升序排序，并返回其排序后的索引序列：
[0019][0020]从所述整数序列x
′
的随机数ρ1位置向后截取一段M
×
N长的序列，按行优先顺序排成M
×
N矩阵，得到所述密钥A1；
[0021]从所述整数序列y
′
的随机数ρ2位置向后截取一段M
×
N长的序列，按列优先顺序排成M
×
N矩阵，得到所述密钥A2；
[0022]从所述整数序列z
′
的随机数ρ3位置向后截取一段M
×
N长的序列，按行优先顺序排成M
×
N矩阵，得到所述密钥A3；
[0023]从所述整数序列z
′
的随机数ρ4位置向后截取一段M
×
N长的序列，得到所述密钥Z；
[0024]从所述混沌序列x的随机数ρ5位置向后截取一段256长的序列，将所述256长的序列以升序排序，并返回其排序后的索引序列，得到所述密钥index1；
[0025]从所述混沌序列y的随机数ρ6位置向后截取一段M
×
N长的序列，将所述M
×
N长的序列以升序排序，并返回其排序后的索引序列，得到所述密钥index2；
[0026]从所述混沌序列z的随机数ρ7位置向后截取一段M
×
N长的序列，将所述M
×
N长的序列以升序排序，并返回其排序后的索引序列，得到所述密钥index3。
[0027]优选的，S2中，将密钥A1的每一行作为行置乱向量，置乱所述待加密图像的每行像素点，得到行置乱图像；
[0028]将密钥A2的每一列作为列置乱向量，置乱所述行置乱图像的每列像素点，得到所述置乱图像。
[0029]优选的，S3中，用随机数ρ8从预定的DNA编码规则中选择一种，将所述置乱图像编码成所述DNA序列；
[0030]用随机数ρ9从预定的DNA编码规则中选择一种，将所述密钥A3编码成所述DNA序列；
[0031]将两条所述DNA序列通过预定的碱基异或运算规则进行所述基因杂交操作，得到所述杂交DNA序列；
[0032]用随机数ρ
10
从预定的DNA解码规则中选择一种，将所述杂交DNA序列解码成所述二进制序列；
[0033]将所述二进制序列以8个比特一组，排成与所述待加密图像大小相等的图像，得到所述置换图像。
[0034]优选的，S4中，将所述置换图像进行二进制水平扩散，得到扩散图像；对所述扩散图像的每个像素点用预定的256个像素基因进行编码；将所述像素基因进行DNA水平扩散，得到所述密文DNA序列。
[0035]更优的，通过公式(6)对置换图像进行二进制水平扩散：
[0036][0037]其中P4表示所述置换图像，P5表示所述扩散图像；i表示序列的索引，index2(i)表示index2的第i个元素，Z(i)表示Z的第i个元素。
[0038]将所述预定的256个像素基因首先按字典序进行排序，再按所述密钥index1中索引位置排序，通过排好序的256个像素基因依次对所述扩散图像的像素点0～255进行编码。
[0039]优选的，DNA水平扩散通过公式(7)生成整数序列K(i)：
[0040][0041]其中，P5(i)表示P5的第i个元素，index3(i)表示index3的第i个元素；
[0042]通过公式(8)和整数序列K(i)将所述像素基因进行基因突变，
[0043][0044]其中表示像素基因，表示所述像素基因的第K(i)个突变基因，P6(i)表示P6的第i个元素。
[0045]更优的，对所述扩散图像的每个像素点用预定的256个像素基因进行编码这本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于基因杂交和基因突变的图像DNA加密存储方法，其特征在于，包括：S1：将待加密图像输入到哈希函数SHA3_256中，得到长度为256bit的哈希值H，通过哈希值H生成密钥；S2：将待加密图像用所述密钥进行行置乱和列置乱，得到置乱图像；S3：将置乱图像与密钥编码为DNA序列，通过碱基异或运算对两条DNA序列进行基因杂交操作，得到杂交DNA序列；将杂交DNA序列解码为二进制序列，把二进制序列排成图像，得到置换图像；S4：对置换图像进行双重扩散，得到密文DNA序列；合成并存储所述密文DNA序列于DNA存储系统中。2.根据权利要求1所述的一种基于基因杂交和基因突变的图像DNA加密存储方法，其特征在于，所述生成密钥这一步骤，包括：通过公式(1)将所述哈希值H均分为32份；H＝{h1,h2,h3,
……
,h
32
}
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(1)通过公式(2)和公式(3)得到Rossler混沌系统三个初值x0，y0和z0；；将所述初值x0,y0和z0输入Rossler混沌系统，得到三条混沌序列x,y,z，其中d为中间变量；通过公式(4)处理所述混沌序列x,y,z，得到三条整数序列x
′
,y
′
和z
′
；其中M，N为所述待加密图像的长和宽，并通过公式(5)生成密钥，其中reshape表示将序列以行优先顺序排成M
×
N矩阵，argsort表示将序列以升序排序，并返回其排序后的索引序列：从所述整数序列x
′
的随机数ρ1位置向后截取一段M
×
N长的序列，按行优先顺序排成M
×
N矩阵，得到所述密钥A1；从所述整数序列y
′
的随机数ρ2位置向后截取一段M
×
N长的序列，按列优先顺序排成M
×
N矩阵，得到所述密钥A2；从所述整数序列z
′
的随机数ρ3位置向后截取一段M
×
N长的序列，按行优先顺序排成M
×
N矩阵，得到所述密钥A3；从所述整数序列z
′
的随机数ρ4位置向后截取一段M
×
N长的序列，得到所述密钥Z；从所述混沌序列x的随机数ρ5位置向后截取一段256长的序列，将所述256长的序列以升序排序，并返回其排序后的索引序列，得到所述密钥index1；从所述混沌序列y的随机数ρ6位置向后截取一段M
×
N长的序列，将所述M
×
N长的序列以升序排序，并返回其排序后的索引序列，得到所述密钥index2；从所述混沌序列z的随机数ρ7位置向后截取一段M
×
N长的序列，将所述M
×
N长的序列以升序排序，并返回其排序后的索引序列，得到所述密钥i...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘文斌，姚翔宇，谢然则，昝乡镇，苏燕青，许鹏，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：