基于ＤＮＡ序列与多混沌映射的图像融合加密方法技术

本发明专利技术公开了一种基于ＤＮＡ序列与多混沌映射的图像融合加密算法。该方法属于ＤＮＡ计算和图像加密领域。传统的基于混沌的加密算法具有密钥空间小，混沌系统易于被分析与预测等缺点；现存的基于图像融合的加密方法，其融合参数难以控制，安全性不高。为了克服上述缺点，本发明专利技术首先利用Ｃｕｂｉｃ映射和小波函数产生的二维混沌序列置乱编码原始图像和模板图像得到的两个ＤＮＡ序列矩阵；然后对置乱后的两个ＤＮＡ序列矩阵做加法运算；最后利用Ｌｏｇｉｓｔｉｃ映射产生的混沌序列与由加法运算得到的ＤＮＡ序列矩阵相作用来得到加密图像。实验结果表明，该算法可以有效的对数字图像进行加密，具有较高的安全性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及DNA计算领域和数字图像加密的领域，具体是一种数字图像加密方 法，主要是利用DNA序列的相加运算结合多混沌映射来实现图像的融合，以达到图像加密 的目的。
技术介绍
在当今社会，计算机网络改变了人们的通信方式，人们可以通过网络便捷地传输 各种多媒体信息。由于网络的开放性，多媒体信息安全与保密越来越引起人们的重视。数 字图像是多媒体通信中的重要信息载体，因而如何保护图像信息成为了普遍关注的问题。 由于混沌具有类随机、初值敏感性以及难以预测等特性，成为研究者们关注的焦 点。根据置乱的对象来分，基于混沌的图像加密方法可以分为两类像素位置置乱和像素值 置乱。像素位置置乱的特点是加密效率高，效果好，但算法的安全性不高，难以抵抗统计攻 击；像素值置乱的特点是算法安全性高，但加密效果不好，效率低。此外，传统的基于混沌的 像素值的加密算法均是用单一混沌映射产生的混沌序列直接与像素的灰度值叠加来实现 图像的加密。大量文献指出，利用单一混沌映射实现的图像加密算法具有安全性较低，混沌 序列易破译以及密钥空间小等缺点。除了基于混沌的图像加密方法外，一些学者还提出了 利用图像融合技术来实现图像的加密，然而，现存的图像融合方法具有融合参数难以控制 的缺点，如果融合参数等于O，则原始图像被显示出来；反之，如果融合参数等于l，则模板 图像被显示出来。可见，该方法的安全性受到了威胁，攻击者通过融合参数的调节就可以获 得原始图像。 DNA加密系统是近年来伴随着DNA计算的研究而出现的密码学新领域，其特点是 以DNA为信息载体，以现代生物技术为实现工具，挖掘DNA固有的高存储密度和高并行性等 优点，实现加密、解密等密码学功能。已有的基于DNA加密的算法大多要用生物实验进行操 作，由于生物实验设备昂贵，实验环境难以控制，实验灵敏性高等缺点，目前基于DNA加密 的研究还是理论多于实践。 为了克服上述加密方案的缺点，本专利技术提出一种基于DNA序列和多混沌映射的图 像融合加密算法，摆脱了DNA加密中的复杂生物操作，单纯的利用DNA序列的加运算并结合 多混沌序列来实现图像的融合。本算法对图像的加密效果较好，密钥空间大，对密钥的敏感 性强，能够有效地抵抗穷举攻击以及统计攻击。
技术实现思路
为实现以上目的，本专利技术采用的技术方案是首先对原始图像和模板图像进行 DNA编码，然后利用Cubic映射和小波函数产生的二维混沌序列置乱由编码得到的两个DNA 序列矩阵。接着对置乱后的两个DNA序列矩阵做加法运算，得到一个新的DNA序列矩阵，最 后利用Logistic映射产生的混沌序列与该DNA序列矩阵相作用来得到加密图像。附图1 所示为本专利技术的算法流程图，其具体包括以下技术环节 1.混沌序列的产生 本专利技术用Cubic映射、小波函数映射和Logistic映射来实现图像加密。 (l)Cubic映射 Cubic映射定义如下 xn—丄=yxJ+a-iOxn (1) 其中XnG ，n = 0，1，2，…，当ii G 时，产生混沌序列。 (2)小波函数映射 小波函数在一定的条件下迭代也能够产生混沌现象。在一个一维小波函数构成的 迭代公式(2)中:^=^:(1_:^)邵(~0.5(;(; +//)2) (2) 当k = 1. 33， x G (0， 1) ， ii G 时会出现混沌现象。 (3)Logistic映射 Logistic映射是一种典型的混沌映射，其定义如下 xn+1 = iixn(l-xn) (3) 其中y G ， xn G (O，l)， n = 0，1，2，…。当0 < ii《3. 569945时，该动 力系统从稳定状态分叉产生倍周期；当3. 569945 < y《4时，该动力系统进入混沌状态。 本专利技术中，由Cubic映射与小波函数产生的混沌序列，是直接通过初值x。、 y。产生 的实数混沌序列，而为了与DNA序列相作用，必须将由Logistic映射产生的混沌序列转换 成二值序列。根据所有的由任意初值产生的混沌实数序列来定义一个阈值函数f (x)，取阈 值为0. 5，则f(x)定义如下 /(X)= 通过f (x)就可以把混沌实数序列转换成二值序列。 2.图像的DNA编码与解码 单链DNA序列由四种碱基A (adenine) 、 C (cytosine) 、 G (guanine) 、 T (thymine)组 成，其中A与T、 C与G互补。用00、01、10、11分别对DNA序列中的四个碱基进行二进制编 码，由于二进制数字0与1互补，从而00与11互补，Ol与10互补。本文用A表示01，T表 示10， C表示00， G表示11。通常8位灰度图像的每一个像素灰度值可以由8位二进制数 表示，而这8位二进制数又可编码成长度为4的DNA序列。 反之，对DNA序列矩阵进行解码时，用01表示A， 10表示T， 00表示C， 11表示G，这样一个DNA序列矩阵就可以解码成二值矩阵，然后，将每8位矩阵元素组成一组进行十进制 转换，就可以还原成0 255之间的一个实数。 例如原始图像的第一个像素灰度值是75，转换成二进制数是用上述 DNA编码映射准则进行编码得到DNA序列;反之用A映射01， T映射10， C映射00， G映射ll，对这个DNA序列进行解码，即可得到二进制序列。 3. DNA序列的加减运算 本专利技术用DNA序列的加法运算来实现两幅图像的融合，以此来达到加密的目的； 相反地，利用减法运算来实现加密图像的恢复。本文采用01—一A，10—一T，00—一C，50， 0<x《0.5; 1, 0.5<x^l;(4)11一一G的映射规则进行DNA编码，利用二进制的模二运算得出DNA序列的加减运算规则，见表1与表2。A+A = TT+A = GC+A = AG+A = CA+T = GT+T = CC+T = TG+T = AA+C = AT+C = TC+C = CG+C = GA+G = CT+G = AC+G = GG+G = T 表1. DNA序列的加运算 A-A = CA_T = GA-C = AA_G = TT-A = AT-T = CT-C = TT-G = GC-A = GC-T = Tc-c = CC-G = AG-A = TG-T = AG-C = GG-G = C 表2. DNA序列的减运算 4.基于DNA序列与多混沌映射的图像加密算法 本专利技术算法主要包括以下四部分首先，将原始图像和模板图像编码成两个DNA 序列矩阵；然后，按照上述3中的DNA加法运算方法来相加两个DNA序列矩阵，得到'和'DNA 序列矩阵；接着，利用Logistic混沌映射产生的混沌序列对'和'DNA序列矩阵进行取补操 作；最后，对取补后的DNA序列矩阵进行解码，就可以得到加密图像，算法流程图见图1。然 而，由于原始图像和模板图像的相邻像素之间的相关性较大，使得由编码得到的DNA序列 矩阵出现了许多相同的碱基，见图2(a)、 (b)，其中图2(a)显示了对原始图像编码后的DNA 序列矩阵的部分图，图2(b)显示了对模板图像编码后的DNA序列矩阵的部分图。因此为了 降低像素之间的相关性，必须在做DNA相加运算之前对DNA序列矩阵进行置乱。本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于ＤＮＡ序列与多混沌映射的图像融合加密方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：　　　　（１）输入两幅８位灰度图像Ａ（ｍ，ｎ）、Ｂ（ｍ，ｎ），ｍ、ｎ为图像Ａ、Ｂ的行列维数；　　　　（２）将图像Ａ、Ｂ转化成二值矩阵，按照ＤＮＡ编码映射规则进行ＤＮＡ编码，得到两个ＤＮＡ序列矩阵Ａｂ、Ｂｂ；　　　　（３）利用Ｃｕｂｉｃ映射和小波函数分别以初值ｘ↓［０］，ｙ↓［０］，系统参数μ↓［１］，μ↓［２］产生两个混沌序列｛ｘ↓［ｍ］｝、｛ｙ↓［ｎ］｝；　　　　（４）将这两个序列按升序排列，得到两个新序列｛ｘ↓［ｍ］′｝、｛ｙ↓［ｎ］′｝；　　　　（５）将｛ｘ↓［ｍ］′｝、｛ｙ↓［ｎ］′｝各元素所在的位置之值替换原序列｛ｘ↓［ｍ］｝、｛ｙ↓［ｎ］｝中的该元素，得到两个新的序列｛ｘ↓［ｍ］″｝，｛ｙ↓［ｎ］″｝；　　　　（６）用这两个序列作为置乱矩阵的行地址和列地址，用此矩阵对矩阵Ａｂ、Ｂｂ的位置进行置乱，得到新的ＤＮＡ序列矩阵Ａｂ′、Ｂｂ′；　　　　（７）按照ＤＮＡ加运算规则，执行Ａｂ′＋Ｂｂ′得到ＤＮＡ序列矩阵Ｃｂ；　　　　（８）利用Ｌｏｇｉｓｔｉｃ混沌映射，在初值为ｚ↓［０］，系统参数为μ↓［３］的条件下，产生长度为ｍ×ｎ×８／２的混沌序列ｚ↓［ｉ］；　　　　（９）利用阈值函数ｆ（ｘ）将混沌序列转化成二值序列，并对其重构得到大小与矩阵Ｃｂ相同的二值矩阵ｚ，当ｚ（ｉ，ｊ）＝１时，Ｃｂ（ｉ，ｊ）取补，否则不变。执行取补后，得到ＤＮＡ序列矩阵Ｃｂ′；　　　　（１０）对矩阵Ｃｂ′按照（２）的逆过程获得矩阵Ｃ，输出图像Ｃ。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张强，薛香莲，魏小鹏，
申请(专利权)人：大连大学，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]