一種基于分形和dna序列操作的圖像加密方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于生物信息學(xué)和圖像加密領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種基于分形和DNA序列操作 的圖像加密方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著數(shù)字技術(shù)W及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，數(shù)字圖像已經(jīng)成為信息表達(dá)和傳遞的 主要方式之一，被廣泛地應(yīng)用到政治、經(jīng)濟(jì)、軍事、教育等各領(lǐng)域，人們可W通過(guò)網(wǎng)絡(luò)便捷地 傳輸各種圖像信息。然而，由于數(shù)字信息極易被復(fù)制、篡改、非法傳播和蓄意攻擊，人們?cè)谙?受信息傳遞的快捷便利的同時(shí)，也對(duì)信息傳輸?shù)陌踩院捅Ｃ苄蕴岢隽烁叩囊蟆?br>[0003] 基于混濁理論的圖像加密技術(shù)是目前圖像加密領(lǐng)域中使用最廣泛的一種方法。它 是把待加密的圖像信息看作是按照某種方式編碼的數(shù)據(jù)流，利用混濁信號(hào)來(lái)對(duì)圖像數(shù)據(jù)流 進(jìn)行加密的。由于混濁具有寬頻譜、類隨機(jī)性、對(duì)系統(tǒng)參數(shù)及初始狀態(tài)的極端敏感性等一系 列性質(zhì)，使得此類方法具有保密性強(qiáng)、隨機(jī)性好、密鑰空間大、更換密鑰方便等優(yōu)點(diǎn)。然而， 盡管基于混濁的圖像加密具有上述特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，但目前混濁理論在密碼學(xué)上的實(shí)際應(yīng)用中 也同樣存在著許多問(wèn)題，比如混濁系統(tǒng)的離散化問(wèn)題、有限精度問(wèn)題等，而且，隨著混濁破 譯技術(shù)的不斷發(fā)展，如化Ort通過(guò)多步非線性預(yù)測(cè)的方法先后破譯了混濁掩蓋與混濁調(diào)制 的加密方案。因此，基于混濁的圖像加密技術(shù)的安全性也受到嚴(yán)重的威脅。
[0004] 基于DNA密碼學(xué)的加密算法是近年來(lái)伴隨著DNA計(jì)算的研究而出現(xiàn)的密碼學(xué)新領(lǐng) 域，其特點(diǎn)是WDNA為信息載體，W現(xiàn)代生物技術(shù)為實(shí)現(xiàn)工具，挖掘DNA固有的高存儲(chǔ)密度和 高并行性等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)加密、解密等密碼學(xué)功能。已有的基于DNA密碼學(xué)的加密方法中加密 信息通常只能通過(guò)物理的方法進(jìn)行傳遞。而且對(duì)于發(fā)送者和接受者來(lái)說(shuō)，都要進(jìn)行較為復(fù) 雜的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，因此加密和解密的成本均很高。
[0005] 綜合W上，現(xiàn)有圖像加密技術(shù)中，基于混濁的圖像加密技術(shù)存在安全性較差，基于 DNA密碼學(xué)的加密方法存在實(shí)現(xiàn)成本高、傳遞方式單一的缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 鑒于已有技術(shù)方法存在的缺陷，本發(fā)明提供一種基于分形和DNA序列操作的圖像 加密方法，先利用分形法產(chǎn)生的置亂序列對(duì)原圖像進(jìn)行置亂;然后利用修正后天然DNA序列 得至化NA模板矩陣;接著編碼置亂后的圖像，并將結(jié)果同DNA模板矩陣進(jìn)行DNA序列加運(yùn)算； 最后利用Logistic映射產(chǎn)生的混濁模板矩陣與DNA解碼后得到的矩陣相作用得到加密圖 像，解決了現(xiàn)有圖像加密技術(shù)安全性差，成本高的問(wèn)題。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種基于分形和DNA序列操作的圖 像加密方法，包括如下步驟：
[000引（1)輸入一幅8位灰度圖像4(111，11)，111、11為圖像4的行列維數(shù)；
[0009] (2)根據(jù)圖像A的灰度值信息，計(jì)算出修正密鑰ki和k2,按照DNA編碼映射規(guī)則對(duì)ki 和k2進(jìn)行編碼，得到修正密鑰序列Ki和拉；
[0010] (3)使用擴(kuò)增后的修正密鑰序列Ki和K2修正天然DNA序列di和cb，得到修正后序列 (1'1和(1'2;
[0011] (4)利用分形法求出(Tl和cT 2所對(duì)應(yīng)的距離序列Il和12,然后將兩個(gè)距離序列按升 序排列，得到兩個(gè)排序序列1和2,接著將1和2各元素所在的位置之值替換原序列Il 和12中的該元素，得到兩條新的序列1"1和1"2;
[0012] (5)用I"謝I" 2作為置亂矩陣的行地址和列地址對(duì)灰度值矩陣A進(jìn)行置亂，得到置 亂后矩陣Al;
[001引 （6)按照DNA編碼映射規(guī)則對(duì)Al進(jìn)行DNA編碼，得到DNA序列矩陣Di;
[0014] (7)按照DNA序列矩陣乘運(yùn)算和DNA序列異或運(yùn)算，由(T 1和(T 2產(chǎn)生DNA模板矩陣 Dtemplate ；
[001引 （8)將DNA序列矩陣Di和DNA模板矩陣Dtempiate進(jìn)行DNA序列加運(yùn)算，得到融合后DNA 矩陣化；
[0016] (9)對(duì)矩陣化按照步驟(6)的逆過(guò)程進(jìn)行操作，獲得灰度值矩陣A2;
[0017] (10化ki和k2計(jì)算得到初值X0,利用Logistic混濁映射，在初值為X0,系統(tǒng)參數(shù)為y 的條件下，產(chǎn)生長(zhǎng)度為mXn的混濁序列Z1，并對(duì)其重構(gòu)得到大小與矩陣A2相同的混濁模板矩 陣Zi;
[0018] (11)按照混濁模板矩陣Zi對(duì)矩陣A2進(jìn)行異或運(yùn)算，得到加密后的灰度值矩陣，輸出 圖像A'。
[0019] 本發(fā)明通過(guò)先利用分形法產(chǎn)生的置亂序列對(duì)原圖像進(jìn)行置亂;然后利用修正后天 然DNA序列得到DNA模板矩陣;接著編碼置亂后的圖像，并將結(jié)果同DNA模板矩陣進(jìn)行DNA序 列加運(yùn)算；最后利用Logistic映射產(chǎn)生的混濁模板矩陣與DNA解碼后得到的矩陣相作用得 到加密圖像。本發(fā)明具有較高的安全性，加密效果好，密鑰空間大，能夠有效地抵抗窮舉攻 擊，統(tǒng)計(jì)攻擊W及差分攻擊。而且算法易于實(shí)現(xiàn)，成本較低，且加密結(jié)果可W通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn) 行傳遞。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1:本發(fā)明的流程圖；
[0021] 圖2:圖像加密處理的流程示意圖；
[0022] 圖3:原灰度圖像；
[00剖圖4:置亂圖像；
[0024] 圖5:加密圖像；
[0025] 圖6:正確密鑰下的解密圖像；
[0026] 圖7:錯(cuò)誤密鑰下的解密圖像a;
[0027] 圖8:錯(cuò)誤密鑰下的解密圖像b;
[002引圖9:矩陣化的部分圖；
[0029] 圖10:模板矩陣Dtemplate的部分圖；
[0030] 圖11:矩陣化的部分圖；
[0031] 圖12:加密前圖像的灰度直方圖；
[0032] 圖13:加密后圖像的灰度直方圖；
[0033] 圖14:原圖像水平方向的相關(guān)性分析圖；
[0034] 圖15:加密圖像水平方向的相關(guān)性分析圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，W下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用W解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0036] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：首先利用分形法產(chǎn)生的置亂序列對(duì)原圖像進(jìn)行置亂； 然后利用修正后天然DNA序列得至化NA模板矩陣;接著編碼置亂后的圖像，并將結(jié)果同DNA模 板矩陣進(jìn)行DNA序列加運(yùn)算;最后利用Logistic映射產(chǎn)生的混濁模板矩陣與DNA解碼后得到 的矩陣相作用得到加密圖像。
[0037] 圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的基于分形和DNA序列操作的圖像加密方法的流程 圖。
[0038] 在步驟SlOl中，輸入一幅8位灰度圖像A(m，n)，m、n為圖像A的行列維數(shù)；
[0039] 在步驟S102中，根據(jù)圖像A的灰度值信息，計(jì)算出修正密鑰ki和k2,按照DNA編碼映 射規(guī)則對(duì)ki和k2進(jìn)行編碼，得到修正密鑰序列Ki和K2;
[0040] 在步驟S103中，使用擴(kuò)增后的修正密鑰序列ki和k2修正天然DNA序列di和cb，得到 修正后序列cTl和d/2;
[0041 ] 在步驟S104中，利用分形法求出(Tl和cT 2所對(duì)應(yīng)的距離序列Ii和12,然后將兩個(gè)距 離序列按升序排列，得到兩個(gè)排序序列1和2,接著將1和2各元素所在的位置之值替 換原序列Il和12中的該元素，得到兩條新的序列1"1和1"2;
[0042] 在步驟S105中，用1"1和1"2作為置亂矩陣的行地址和列地址對(duì)灰度值矩陣A進(jìn)行置 亂，得到置亂后矩陣Al;
[0043] 在步驟S106中，按照DNA編碼映射規(guī)則對(duì)Al進(jìn)行DNA編碼，得到DNA序列矩陣化；
[0044] 在步驟S107中，按照DNA序列矩陣乘運(yùn)算和DNA序列異或運(yùn)算，由(T 1和(T 2產(chǎn)生DNA 模板矩陣Dtemplate ;
[0045] 在步驟S108中，將DNA序列矩陣化和DNA模板矩陣Dtempiate進(jìn)行DNA序列加運(yùn)算，得到 融合后的DNA矩陣化；
[0046] 在步驟S109中，對(duì)矩陣化按照步驟S106的逆過(guò)程進(jìn)行操作，獲得灰度值矩陣A2;
[0047] 在步驟SllO中，由ki和k2計(jì)算得到初值X0,利用Logistic混濁映射，在初值為X0,系 統(tǒng)參數(shù)為y的條件下，產(chǎn)生長(zhǎng)度為mXn的混濁序列Z1，并對(duì)其重構(gòu)得到大小與矩陣A2相同的 混濁模板矩陣Zi;
[0048] 在步驟Slll中，按照混濁模板矩陣Zi對(duì)矩陣A2進(jìn)行異或運(yùn)算，得到加密后的灰度值 矩陣，輸出圖像A'。
[0049] 結(jié)合圖1，本發(fā)明實(shí)施例提供的基于分形和DNA序列操作的圖像加密方法的實(shí)現(xiàn)主 要包括W下四部分關(guān)鍵技術(shù)：1利用分形法產(chǎn)生的置亂序列對(duì)原圖像進(jìn)行置亂；2利用修正 后天然DNA序列得至化NA模板矩陣；3編碼置亂后的圖像，并將結(jié)果同DNA模板矩陣進(jìn)行加運(yùn) 算；4利用Logistic映射產(chǎn)生的混濁模板矩陣與DNA解碼后得到的矩陣相作用得到加密圖 像。
[0050]下面對(duì)運(yùn)四個(gè)部分的技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)的介紹：
[00川 1.置亂序列的產(chǎn)生
[0052]本發(fā)明利用分形法和天然DNA序列產(chǎn)生置亂序列。
[0化3] 1)修正密鑰
[0054]根據(jù)圖像的灰度值信息，計(jì)算出修正密鑰ki和k2,見(jiàn)公式（1)和(2)。
(1) (2 )
[0057]其中曰4為坐標(biāo)點(diǎn)（i，j)