基于光混沌和DNA魔方置乱的图像加密方法及解密方法技术

本发明专利技术公开了一种基于光混沌和DNA魔方置乱的图像加密方法及解密方法，加密方法利用光混沌的特性、DNA编码计算、魔方置乱相结合对图像进行加密操作，步骤包括：输入密钥；利用密钥对光注入生成的光混沌进行重组加密；在像素级上对图像进行魔方置乱；在位平面上利用DNA编码、分块魔方置乱、DNA运算对位平面进行二次置乱，置乱后通过DNA解码将图像转换为像素值图像；利用光混沌序列对图像进行扩散，得到密文图像。其中，利用光注入方式生成的光混沌同步序列在接收端和发送端可以实现同步，并通过光混沌序列和密钥结合一起对图像进行加密，加密过程包括了像素级和比特级的加密，提高了加密的安全性。的安全性。的安全性。

【技术实现步骤摘要】
基于光混沌和DNA魔方置乱的图像加密方法及解密方法


[0001]本专利技术属于信息安全
，具体涉及一种基于光混沌和DNA魔方置乱的图像加解密方法。

技术介绍

[0002]随着图像信息传输的需求不断增加，人们对于传输图像信息的安全性有了更高的要求。图像与文本信息相比，具有数据量大、相邻像素之间相关性强等特点，一直是信息安全领域所关注的重点。混沌信号由于具有非周期性，类似噪声和不可长期预测的特性，在图像加密领域受到了广泛的关注，而光混沌相比较与传统的电混沌信号，具有复杂性高、高带大、低衰减的优势，使得光学混沌有着更高的加密能力。DNA编码借助DNA具有的低功率和高并行等特点对数据进行加密，可以保证信息序列的安全性。而单一使用一种加密方案，存在着较容易被破解的风险，因此有必要对其进行改进。

技术实现思路

[0003]针对上述现状，本专利技术通过将光混沌和DNA编码相结合，利用魔方置乱的方法对DNA编码进行置乱，使得图像加密更加安全，而设计了一种基于光混沌和DNA魔方置乱的图像加解密方法。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0005]一种基于混沌和DNA魔方置乱的图像加密方法，包括以下步骤：
[0006]S1:输入密钥；
[0007]S2:利用密钥对光注入生成的光混沌进行重组加密；
[0008]S3:在像素级上对图像进行魔方置乱；
[0009]S4:在位平面上利用DNA编码、分块魔方置乱以及DNA运算对位平面进行二次置乱，置乱后通过DNA解码将图像重新转换为像素值图像。
[0010]S5:利用光混沌序列对图像进行扩散，得到密文图像。
[0011]进一步的，上述基于光混沌和DNA魔方置乱的图像加密方法中，假设明文图像的大小为[M,N]，在步骤S1中，输入64位十进制数字作为密钥k
user
，分别与明文图像的横坐标之和s
rows
与纵坐标之和s
cols
的长度为64的十进制SHA
‑
512值组合后，再次计算SHA
‑
512后得到加密所需的两个密钥组：key_A，key_B；
[0012]计算公式如下所示：
[0013][0014]将得到的key_A，key_B为512比特长的序列转换为十进制，其中key_A的长度与明文图像大小有关，取值范围为[1,16]；key_B的长度为64，取值范围为[1,256]。Key_A和Key_B通过安全信道传输到接收端用于用户解密。
[0015]进一步的，上述基于光混沌和DNA魔方置乱的图像加密方法中，在步骤S2中，将
key_B转换成长度为512的二进制序列。同样的，将光混沌量化后，两个长度为M*N的光混沌序列CH_1和CH_2都平均划分为512段，如果不能整除，则最后一段不要求与前面均分长度相同。当key_B(i)＝0时，CH_en1(i)＝CH_1(i),CH_en2(i)＝CH_2(i)；当key_B(i)＝1时，CH_en1(i)＝CH_2(i)，CH_en2(i)＝CH_1(i)。经过key_B的加密后，得到了物理层和应用层双重加密的光混沌序列CH_en1和CH_en2，其长度为M*N,取值范围为[1,256]。
[0016]进一步的，上述基于光混沌和DNA魔方置乱的图像加密方法中，在步骤S3中，将明文图像重新排列为三维图像，假设(M*N)
1/3
＝H,如果M*N的开三次方不能整除，则在图像的行列上补零直到可以被整除。key_A中的前H/4*3个密钥为s3中加密所需密钥，转化为二进制后，对应三维图像的x,y,z轴得到三个控制参数：choice_x,choice_y,choice_z，每个控制参数的长度为H，由0,1组成。
[0017]进一步的，上述基于光混沌和DNA魔方置乱的图像加密方法中，在步骤S3中，对三维排列的明文图像，类比于H*H*H的魔方，当choice_x(i)＝0时，图像x轴的第i列所对应的[H,H]大小的矩阵向逆时针方向旋转90度；当choice_x(i)＝1时，图像x轴的第i列所对应的[H,H]大小的矩阵向顺时针方向旋转90度。同理，choice_y和choice_z也在图像y轴和z轴执行同样的步骤。经过步骤S3加密后的加密图像记为P1。
[0018]进一步的，上述基于光混沌和DNA魔方置乱的图像加密方法中，在步骤S4中，密钥key_mode是由key_A(H/4*3+1:H/4*3+4)四个密钥相互异或的值乘以CH_en1后的比特第1位和第2位构成，大小为[M,N]，取值范围为[1,4]；密钥key_en是由key_A(H/4*3+5:H/4*3+8)四个密钥相互异或的值乘以CH_en1后的比特第3位和第4位构成，大小为[M,N]，取值范围为[1,4]；同理，密钥key_sel是由key_A(H/4*3+9:H/4*3+12)和CH_en1组合后的比特第5,6,7位构成，其大小为[M,N]，取值范围为[1,8]；密钥key_magic是由key_A(H/4*3+13:H/4*3+16)和CH_en1组合后的比特第8位构成，取CH_en1的前M/4*N/4*12位，大小为[M/4,N/4,12],由二进制构成。
[0019]与此同时，上述基于光混沌和DNA魔方置乱的图像加密方法中，在步骤S4中，将图像P1重塑成大小为[M,N]的图像。P1中像素值由8比特构成，利用长度为4的DNA序列来表示P1中的每个像素值，DNA表示方式选择由key_sel确定，当key_sel(i,j)＝1时，则选取方式1来对比特进行编码，以此类推。DNA的选择方式如表1所示：
[0020]表1：DNA编码规则
[0021][0022]进一步的，上述基于光混沌和DNA魔方置乱的图像加密方法中，在步骤S4中，将图像划分为4*4大小的子块，子块坐标范围为[M/4,N/4]，子块中的DNA分布即为4*4*4的大小。利用key_magic对比特进行魔方算法加密，当key_magic(i,j,h)＝0时，坐标为(i,j)的子块的x轴的第h列所对应的[4,4]大小的矩阵沿逆时针方向旋转90度；当key_magic(i,j,h)＝1,坐标为(i,j)的子块的x轴的第h列所对应的[4,4]大小的矩阵沿顺时针方向旋转90度。同理对y轴和z轴进行同样的变换，需要注意的是，h∈[1,4]时代表的是x轴上的列数；h∈[5,
8]时代表的是y轴上的列数，对y轴上的h
‑
4列进行变换；h∈[9,12]时代表的是z轴上的列数，对z轴上的h
‑
8列进行变换。
[0023]进一步的，上述基于光混沌和DNA魔方置乱的图像加密方法中，在步骤S4中，利用key_mode和key_en对已经转换为DNA序列的图像信息进行DNA计算加密。key_mode中的四进制数表示的是选择两个DNA序列的计算方式，当key_mode(i,j)＝1,2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光混沌和DNA魔方置乱的图像加密方法，其特征在于，包括以下步骤：S1:输入密钥；S2:利用密钥对光注入生成的光混沌进行重组加密；S3:在像素级上对图像进行魔方置乱；S4:在位平面上利用DNA编码、分块魔方置乱以及DNA运算对位平面进行二次置乱，置乱后通过DNA解码将图像转换为像素值图像；S5:利用光混沌序列对图像进行扩散，得到密文图像。2.根据权利要求1所述的一种基于光混沌和DNA魔方置乱的图像加密方法，其特征在于：假设明文图像大小为M*N，在步骤S1中，输入64位十进制数字作为密钥k
user
，分别与明文图像的横坐标之和s
rows
与纵坐标之和s
cols
的长度为64的十进制SHA
‑
512值组合后，再次计算SHA
‑
512后得到加密所需的两个密钥组：key_A，key_B；计算公式如下所示：将得到的key_A，key_B为512比特长的序列转换为十进制，其中key_A的长度与明文图像大小有关，取值范围为[1,16]；key_B的长度为64，取值范围为[1,256]。3.根据权利要求2所述的一种基于光混沌和DNA魔方置乱的图像加密方法，其特征在于：在步骤S2中，将key_B转换成长度为512的二进制序列；将光混沌量化后，两个长度为M*N的光混沌序列CH_1和CH_2都划分为512段，当key_B(i)＝0时，CH_en1(i)＝CH_1(i),CH_en2(i)＝CH_2(i)；当key_B(i)＝1时，CH_en1(i)＝CH_2(i),CH_en2(i)＝CH_1(i)；经过key_B的加密后，得到了物理层和应用层双重加密的光混沌序列CH_en1和CH_en2，长度为M*N，取值范围为[1,256]。4.根据权利要求3所述的一种基于光混沌和DNA魔方置乱的图像加密方法，其特征在于：在步骤S3中，将明文图像重新排列为三维图像，假设(M*N)
1/3
＝H，如果M*N的开三次方不能整除，则在图像的行列上补零直到能被整除；key_A中的前H/4*3个密钥为步骤S3中加密所需密钥，转化为二进制后，对应三维图像的x,y,z轴得到三个控制参数：choice_x,choice_y,choice_z，每个控制参数的长度为H，由0,1组成。5.根据权利要求4所述的一种基于光混沌和DNA魔方置乱的图像加密方法，其特征在于：在步骤S3中，对三维排列的明文图像，类比于H*H*H的魔方，当choice_x(i)＝0时，图像x轴的第i列所对应的[H,H]大小的矩阵向逆时针方向旋转90度；当choice_x(i)＝1时，图像x轴的第i列所对应的[H,H]大小的矩阵向顺时针方向旋转90度；同理，当choice_y(i)＝0时，图像y轴的第i列所对应的[H,H]大小的矩阵向逆时针方向旋转90度；当choice_y(i)＝1时，图像y轴的第i列所对应的[H,H]大小的矩阵向顺时针方向旋转90度；当choice_z(i)＝0时，图像z轴的第i列所对应的[H,H]大小的矩阵向逆时针方向旋转90度；当choice_z(i)＝1时，图像z轴的第i列所对应的[H,H]大小的矩阵向顺时针方向旋转90度；经过步骤S3加密后的加密图像记为P1。6.根据权利要求5所述的一种基于光混沌和DNA魔方置乱的图像加密方法，其特征在于：在步骤S4中，密钥key_mode由key_A(H/4*3+1:H/4*3+4)四个密钥相互异或的值乘以CH_
en1后的比特第1位和第2位构成，大小为[M,N]，取值范围为[1,4]；密钥key_en是由key_A(H/4*3+5:H/4*3+8)四个密钥相互异或的值乘以CH_en1后的比特第3位和第4位构成，大小为[M,N]，取值范围为...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈伟浩，周雪芳，孙乐，李敏君，毕美华，杨国伟，胡淼，李齐良，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：