不斷增加，也就是說(shuō)天然DNA序列集合可W被認(rèn)為是一個(gè)天然的一次一密亂 碼本。因此，該方法是一種改進(jìn)的一次一密加密方法，具有足夠大的密鑰空間來(lái)抵抗窮舉攻 山O
[0112] 2.灰度直方圖分析
[0113] 我們通過(guò)直方圖的比較，來(lái)分析加密前后圖像統(tǒng)計(jì)特性的改變。從附圖12、圖13中 可W看出，加密前后圖像的直方圖發(fā)生了較大的變化。加密前的圖像像素比較集中，而加密 后的圖像像素分布比較均勻，兩幅圖像相似度較低，攻擊者很難利用像素灰度值的統(tǒng)計(jì)特 性恢復(fù)原圖像。由此可見(jiàn)，該算法可W有效地抵御統(tǒng)計(jì)分析。
[0114] 3.相關(guān)性分析
[0115] 原圖像像素間的相關(guān)性很高，為了有效地抵御統(tǒng)計(jì)攻擊，加密后的圖像必須具有 較低的相關(guān)性。我們從原圖像和加密圖像中在水平方向、垂直方向W及對(duì)角方向上隨機(jī)的 選取3000對(duì)相鄰像素點(diǎn)，然后利用公式(9)-(12)計(jì)算像素間的相關(guān)性。
[0120]其中X和y是兩相鄰像素間的灰度值。
[0122] 表4.原始圖像和加密圖像中兩相鄰像素的相關(guān)系數(shù)
[0123] 原圖像和加密圖像水平方向的相關(guān)性見(jiàn)附圖14、圖15,相關(guān)系數(shù)分別是0.9530和 0.0021，其它方向的相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表4。從圖14、圖15和表4可W看出加密圖像的像素間的相關(guān) 性遠(yuǎn)低于原圖像的相關(guān)性。再次說(shuō)明，本算法具有很強(qiáng)的抗統(tǒng)計(jì)攻擊能力。
[0124] 4.差分攻擊分析
[0125] 所謂差分攻擊就是攻擊者將原圖像做細(xì)微的改變，然后按照加密算法加密原圖像 和改變后的圖像。通過(guò)比較兩幅加密圖像，攻擊者可W找到原圖像與加密圖像的關(guān)聯(lián)。原圖 像的加密圖像被稱為"testr，將原圖像的第一個(gè)像素的灰度值改變，加密后得到的圖像被 稱為"test2"。研究者通常使用NPCR和UACI作為兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量算法是否抵御差分攻擊，見(jiàn) 公式(13)-(15)。
[0126] C /J = t T二... W、 1 tf 幸 ( 13)
[0129] 其中M，N分別為圖像的高度和寬度，。。^'川2(1^)分別為"*63*1"和"*63*2"在 坐標(biāo)(i，j)處的灰度值。經(jīng)過(guò)計(jì)算，本算法的NPCR = 99.62 %，UACI = 33.36 %。由計(jì)算結(jié)果可 知，本算法可W有效地抵御差分攻擊。
[0130] 本實(shí)例中的數(shù)據(jù)只為方便說(shuō)明加密算法的過(guò)程，該發(fā)明的實(shí)施及加密效果不依賴 于具體數(shù)值。
[0131] 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。
[0132] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有W下優(yōu)點(diǎn)：
[0133] -)與傳統(tǒng)的基于混濁的加密方案比，本發(fā)明具有加密效果好，密鑰空間大，W及 抗窮舉攻擊、統(tǒng)計(jì)分析攻擊W及差分攻擊等優(yōu)點(diǎn)。
[0134] 二）與傳統(tǒng)的一次一密的圖像加密方案比，本發(fā)明利用免費(fèi)網(wǎng)站http:// WWW. ncbi . nlm. nih. gov/解決了 一次一密亂碼本保存的問(wèn)題，同時(shí)繼承了一次一密加密方 法的優(yōu)點(diǎn)。
[0135] S)與基于DNA密碼學(xué)的加密方案比，本發(fā)明可對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行加密，相對(duì)于復(fù)雜 的生物操作，本方法易于實(shí)現(xiàn)與控制，且加密結(jié)果可W通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行傳遞。
[0136] W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)明掲露的技術(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 W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)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于分形和DM序列操作的圖像加密方法，其特征在于，該方法 包括W下步驟： (1) 輸入一幅8位灰度圖像A (m, η )，m、η為圖像A的行列維數(shù)； (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DM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Κι和拉； (3) 使用擴(kuò)增后的修正密鑰序列Κι和Κ2修正天然DNA序列di和cb，得到修正后序列cTi和 d'2; (4) 利用分形法求出cTi和d'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1^1和1'2,接著將1^1和1'2各元素所在的位置之值替換原序列Ii和12 中的該元素，得到兩條新的序列1"1和1"2 ; (5) 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Ai; (6) 按照DM編碼映射規(guī)則對(duì)Ai進(jìn)行DM編碼，得至化ΝΑ序列矩陣Di; (7 )按照DM序列矩陣乘運(yùn)算和DM序列異或運(yùn)算，由CT 1和d ' 2產(chǎn)生DM模板矩陣Dtemplate ; (8) 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DNA矩陣 〇2 ； (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; (10) 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μ的條 件下，產(chǎn)生長(zhǎng)度為mXn的混濁序列Ζ1，并對(duì)其重構(gòu)得到大小與矩陣Α2相同的混濁模板矩陣 Zi； (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'。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于分形和DNA序列操作的圖像加密方法，其特征在于， 所述的步驟(2)中得到修正密鑰序列Κι和拉具體為： 建立滿足堿基互補(bǔ)配對(duì)原則的DNA編碼映射規(guī)則，DNA編碼映射規(guī)則是用00、01、10、11 分別對(duì)DNA序列中的四個(gè)堿基進(jìn)行二進(jìn)制編碼，用A表示00，C表示01，G表示10，Τ表示11;根 據(jù)圖像A的灰度值信息，計(jì)算出修正密鑰kl和k2:將ki和k2轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制序列，按照DNA編碼映射規(guī)則對(duì)得到的二進(jìn)制序列進(jìn)行編碼，得 到修正密鑰序列Κι和拉。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于分形和DNA序列操作的圖像加密方法，其特征在于， 所述的步驟(3)中得到修正后序列cTi和d'2的具體為： 按照二進(jìn)制的加運(yùn)算規(guī)則建立DNA序列加運(yùn)算規(guī)則； 將序列Κι和拉進(jìn)行擴(kuò)增，擴(kuò)增規(guī)則為，設(shè)DNA序列D = {dj}，1 y如，dj e {A，C，G，T}，則D ' = {d'i}，l < i <11，(1'1 =山〇=1]1〇(1(;[,111)，當(dāng)占-=0時(shí)，1 =占·； 將擴(kuò)增后的兩條修正密鑰序列同山按照DM序列加運(yùn)算規(guī)則進(jìn)行相加，再將擴(kuò)增后的兩 條修正密鑰序列同cb進(jìn)行相加，得到修正后序列cTi和d'2。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于分形和DM序列操作的圖像加密方法，其特征在于， 所述的步驟(4)中求出cTi和d'2所對(duì)應(yīng)的距離序列Ii和12的步驟具體為:利用分形法求出cTi 和d ' 2所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)集：其中，〉〉1表不取二進(jìn)制串的最低一位，&E表不取二進(jìn)制串的最局一位； 求出cTi和d'2所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)集中各坐標(biāo)點(diǎn)到原點(diǎn)距離，得到一條長(zhǎng)度為m的距離序列 Ii和一條長(zhǎng)度為η的距離序列12。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于分形和DNA序列操作的圖像加密方法，其特征在于， 所述的步驟(7)中由cTl和d'2產(chǎn)生DNA模板矩陣Dtemplate具體為： 51、 先建立DNA序列異或運(yùn)算規(guī)則； 52、 再定義任意兩條DNA序列的矩陣乘運(yùn)算規(guī)則為：53、 然后，將兩條DNA序列矩陣cTi和d'浪照S2中的矩陣乘運(yùn)算規(guī)則進(jìn)行乘運(yùn)算，再將乘 運(yùn)算后的結(jié)果按照S1中的DNA序列異或運(yùn)算規(guī)則進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到DNA模板矩陣Dtemplate。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于分形和DM序列操作的圖像加密方法，其特征在于， 所述的步驟(9)中獲得灰度值矩陣A2是步驟(6)的逆過(guò)程，即對(duì)化進(jìn)行DNA解碼的過(guò)程，在DNA 解碼映射規(guī)則中，用00表示A，01表示C，10表示G，11表示T，對(duì)化解碼得到一個(gè)二進(jìn)制矩陣， 其大小為mX (η X 8)，對(duì)運(yùn)個(gè)矩陣進(jìn)行十進(jìn)制轉(zhuǎn)換后得到灰度值矩陣A2，其大小是mXη。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于分形和DM序列操作的圖像加密方法，其特征在于， 所述的步驟(10)中得到大小與矩陣A2相同的混濁模板矩陣幻具體為： 由ki和k2計(jì)算得到初值X0: xo=mod( (mod化1,256)/256+mocKk2,256)/256), 1) 利用Logistic映射產(chǎn)生的混濁序列zi，將其重構(gòu)成大小為mXη的矩陣Z' ； 將矩陣Z'轉(zhuǎn)換成為矩陣Z: Z(i, j)=mod(floor(Z'（i，j) ΧΙΟ己），256); 將Z與其旋轉(zhuǎn)得到的兩個(gè)矩陣進(jìn)行異或運(yùn)算，得到混濁模板矩陣Zi。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于分形和DNA序列操作的圖像加密方法，包括以下主要步驟：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)生的混沌模板矩陣與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)攻擊以及差分攻擊。而且算法易于實(shí)現(xiàn)，成本較低，且加密結(jié)果可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行傳遞。
【IPC分類(lèi)】G06T1/00
【公開(kāi)號(hào)】CN105701755
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510514056
【發(fā)明人】張強(qiáng), 周士華, 魏小鵬
【申請(qǐng)人】大連大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年6月22日
【申請(qǐng)日】2015年8月20日