本發(fā)明屬于圖像加密以及編碼領(lǐng)域，具體說是一種基于DNA編碼的圖像加密糾錯(cuò)方法。

背景技術(shù)：

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)改變了人們的通信方式,人們可以通過網(wǎng)絡(luò)便捷的傳輸各種多媒體信息。但是由于網(wǎng)絡(luò)的開放性,多媒體信息的安全受到了一定的威脅。數(shù)字圖像是多媒體通信中的重要信息載體,如何保護(hù)圖像信息成為目前普遍關(guān)注的問題。目前最為有效的保護(hù)圖像信息安全的手段是圖像加密。

混沌映射具有對(duì)初始值敏感、遍歷性、以及其內(nèi)在的偽隨機(jī)性等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使得混沌映射被廣泛地用于圖像加密中。通過混沌映射產(chǎn)生混沌序列，利用置亂與擴(kuò)散操作完成對(duì)原始圖像的加密。通訊數(shù)據(jù)傳輸中，偶爾會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)的失真，現(xiàn)代糾錯(cuò)碼理論可以有效地糾正在通訊傳輸過程中的錯(cuò)誤。漢明碼是其中應(yīng)用廣泛的一類編碼方法，其通過在傳輸?shù)南⒘髦胁迦腧?yàn)證碼，以發(fā)現(xiàn)并糾正錯(cuò)誤。

針對(duì)上述背景，目前已有很多針對(duì)DNA編碼的圖像加密方法，但是這些方法并沒有考慮糾錯(cuò)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了基于DNA編碼的圖像加密糾錯(cuò)方法，該方法有很好的加密效果，并且能夠?qū)崿F(xiàn)糾錯(cuò)功能。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了基于DNA編碼的圖像加密糾錯(cuò)方法，包括：

S1：將初始密鑰作為混沌映射的初始條件，生成加密所需的混沌序列；

S2：將生成的混沌序列進(jìn)行排列生成用于圖像加密的置亂序列，置亂原始圖像中的像素位置；

S3：對(duì)生成的混沌序列進(jìn)行整數(shù)化處理，得到用于圖像加密的擴(kuò)散序列，改變置亂后的圖像的像素值，完成對(duì)原始圖像的加密；

S4：構(gòu)建序列間漢明距離約束條件和逆補(bǔ)序列間的漢明距離約束條件，并結(jié)合GC含量約束條件，構(gòu)建DNA序列集合設(shè)計(jì)組合約束條件；

S5：用改進(jìn)的遺傳算法初始化種群，然后根據(jù)組合約束條件對(duì)種群中的個(gè)體進(jìn)行篩選，完成對(duì)DNA序列的優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到具有糾錯(cuò)功能的DNA編碼集合；

S6：在設(shè)計(jì)好的DNA編碼集合中隨機(jī)選出N個(gè)不同的DNA序列，與密文圖像中的像素值一一對(duì)應(yīng)，最終將密文圖像完全編碼成DNA序列，生成可糾錯(cuò)的DNA編碼加密圖像。

進(jìn)一步地，初始密鑰分成兩份，分別作為兩個(gè)混沌映射的參數(shù)和初始值，混沌映射為：

x_i+1＝μx_i(1-x_i)

其中μ參數(shù)，x₁為初始值，μ∈[3.9,4]，x₁∈(0,1)，迭代混沌映射，生成加密所需的混沌序列。

進(jìn)一步地，采用下述公式求取置亂后的圖像像素：

Mim(i)＝permute(P(i),Order(i)),i＝1,2,...,M*N

P(i)表示的是明文圖像的像素，Order(i)表示的是混沌順序，Min(i)表示的是置亂后的圖像像素。

進(jìn)一步地，加密后的圖像為：

Orbit(i)表示的是混沌軌道值，C(i)表示加密后的圖像。

更進(jìn)一步地，序列間漢明距離約束條件為：

其中H(u,v)表示序列u,v間的漢明距離。

更進(jìn)一步地，逆補(bǔ)序列間的漢明距離約束條件為：

其中v^C表示序列v的逆補(bǔ)序列。

更進(jìn)一步地，GC含量約束條件為鳥嘌呤和胞嘧啶在DNA分子中的含量。

作為更進(jìn)一步地，組合約束條件為：先用GC含量約束條件對(duì)DNA序列進(jìn)行約束，然后再用序列間漢明距離約束條件和逆補(bǔ)序列間的漢明距離約束條件同時(shí)進(jìn)行約束。

作為更進(jìn)一步地，改進(jìn)的遺傳算法是：在選擇算子中采用最優(yōu)保存策略，在變異算子中采用動(dòng)態(tài)變異算子；即根據(jù)適應(yīng)度值的高低把種群中的個(gè)體分為3類，最小的變異概率為0.01，其次為0.03，最大的變異概率為0.3。

本發(fā)明由于采用以上技術(shù)方案，能夠取得如下的技術(shù)效果：不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)加密圖像進(jìn)行DNA編碼，而且編碼后的數(shù)據(jù)具有糾錯(cuò)功能。且采用上述方法加密效果非常好；由于在編碼像素值時(shí)使用隨機(jī)的N個(gè)DNA序列，直接增加了秘鑰空間，因此增強(qiáng)了該方法的安全性。

附圖說明

圖1為明文圖像；

圖2為密文圖像；

圖3為DNA編碼后可糾錯(cuò)密文圖像；

圖4為包含1000個(gè)錯(cuò)誤的密文圖像；

圖5為圖3與圖4的差值圖像；

圖6糾錯(cuò)之后恢復(fù)的原始圖像；

圖7本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供了一種基于DNA編碼的圖像加密糾錯(cuò)方法，包括：

S1：將初始密鑰作為混沌映射的初始條件，生成加密所需的混沌序列；

所述初始密鑰隨機(jī)生成，將初始密鑰分成兩份，分別作為兩個(gè)混沌映射的初始值，所述混沌映射為x_i+1＝μx_i(1-x_i)，其中μ參數(shù)，x₁為初始值，μ∈[3.9,4]，x₁∈(0,1)，迭代混沌映射，生成加密所需的混沌序列。

S2：將生成的混沌序列進(jìn)行排列生成用于圖像加密的置亂序列，置亂原始圖像中的像素位置；

S3：對(duì)生成的混沌序列進(jìn)行整數(shù)化處理，得到用于圖像加密的擴(kuò)散序列，并采用擴(kuò)散操作，改變置亂后的圖像的像素值，完成對(duì)原始圖像的加密；

S4：序列間漢明距離約束條件為：其中H(u,v)表示序列u,v間的漢明距離；

逆補(bǔ)序列間的漢明距離約束條件為：其中v^C表示序列v的逆補(bǔ)序列；

GC含量約束條件為鳥嘌呤和胞嘧啶在DNA分子中的含量；

將上述三個(gè)條件順序的組合在一起，即先用GC含量對(duì)DNA序列進(jìn)行約束，然后再用另外兩個(gè)約束條件同時(shí)進(jìn)行約束，構(gòu)成DNA序列集合設(shè)計(jì)的約束條件。

S5：對(duì)遺傳算法進(jìn)行改進(jìn)，在選擇算子中采用最優(yōu)保存策略，在變異算子中采用動(dòng)態(tài)變異算子，即根據(jù)適應(yīng)度值的高低把種群中的個(gè)體分為3類，最小的變異概率為0.01，其次為0.03，最大的變異概率為0.3。用改進(jìn)的遺傳算法初始化種群，然后根據(jù)組合約束條件對(duì)種群中的個(gè)體進(jìn)行篩選，最終完成對(duì)DNA序列的優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到具有糾錯(cuò)功能的DNA編碼集合。

S6：在設(shè)計(jì)好的DNA編碼集合中隨機(jī)選出256個(gè)不同的DNA序列，與密文圖像中的像素值一一對(duì)應(yīng)，最終將密文圖像完全編碼成DNA序列，生成可糾錯(cuò)的DNA編碼加密圖像。

實(shí)施例2

該實(shí)施例是在以實(shí)施例1的技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施的，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述實(shí)施例。

步驟1：我們選取256×256大小的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖像Lena，由于密鑰長(zhǎng)度為2¹²⁸bit，將真實(shí)加密密鑰分為大小為2⁶⁴的前后子密鑰，并用它們作為兩個(gè)混沌映射的初始值，生成混沌序列；

步驟2：利用如下公式

Mim(i)＝permute(P(i),Order(i)),i＝1,2,...,M*N置亂明文圖像，

然后利用該公式擴(kuò)散置亂后的圖像，每一組混沌映射產(chǎn)生的序列執(zhí)行一輪置亂-擴(kuò)散操作，

上述公式中P(i)表示的是明文圖像的像素，Order(i)表示的是混沌順序，Min(i)表示的是置亂后的圖像像素，Orbit(i)表示的是混沌軌道值，C(i)表示加密后的圖像；

步驟3：利用構(gòu)建好的組合約束條件，采用改進(jìn)的遺傳算法對(duì)DNA序列進(jìn)行集合設(shè)計(jì)，選擇算子為最優(yōu)保存，交叉概率為0.6，動(dòng)態(tài)變異為0.01,0.03和0.3，進(jìn)化代數(shù)為500。其中DNA序列的長(zhǎng)度為8個(gè)堿基，漢明距離設(shè)為3；

步驟4：設(shè)計(jì)出336個(gè)DNA漢明碼序列，如表1所示。

表1 DNA序列集合

從中隨機(jī)選取256個(gè)DNA序列用于編碼密文圖像的像素值，表2為編碼像素值的DNA序列，0～255代表圖像的像素值，后面為一一對(duì)應(yīng)的DNA編碼；

表2編碼像素值的DNA序列

步驟5：最終將密文圖像完全編碼成DNA序列，生成可糾錯(cuò)的DNA編碼加密圖像。

從模擬結(jié)果和安全分析可以得出，該方法具有良好的加密效果，并能實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)功能。同時(shí)本發(fā)明不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)加密圖像進(jìn)行DNA編碼，而且編碼后的數(shù)據(jù)具有糾錯(cuò)功能。由于在編碼像素值時(shí)使用隨機(jī)的256個(gè)DNA序列，直接增加了秘鑰空間，因此增強(qiáng)了本發(fā)明的安全性。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。