本發(fā)明專利技術公開了一種基于ＤＮＡ序列與多混沌映射的圖像融合加密算法。該方法屬于ＤＮＡ計算和圖像加密領域。傳統(tǒng)的基于混沌的加密算法具有密鑰空間小，混沌系統(tǒng)易于被分析與預測等缺點；現(xiàn)存的基于圖像融合的加密方法，其融合參數(shù)難以控制，安全性不高。為了克服上述缺點，本發(fā)明專利技術首先利用Ｃｕｂｉｃ映射和小波函數(shù)產生的二維混沌序列置亂編碼原始圖像和模板圖像得到的兩個ＤＮＡ序列矩陣；然后對置亂后的兩個ＤＮＡ序列矩陣做加法運算；最后利用Ｌｏｇｉｓｔｉｃ映射產生的混沌序列與由加法運算得到的ＤＮＡ序列矩陣相作用來得到加密圖像。實驗結果表明，該算法可以有效的對數(shù)字圖像進行加密，具有較高的安全性。
【技術實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術涉及DNA計算領域和數(shù)字圖像加密的領域，具體是一種數(shù)字圖像加密方 法，主要是利用DNA序列的相加運算結合多混沌映射來實現(xiàn)圖像的融合，以達到圖像加密 的目的。
技術介紹
在當今社會，計算機網絡改變了人們的通信方式，人們可以通過網絡便捷地傳輸 各種多媒體信息。由于網絡的開放性，多媒體信息安全與保密越來越引起人們的重視。數(shù) 字圖像是多媒體通信中的重要信息載體，因而如何保護圖像信息成為了普遍關注的問題。 由于混沌具有類隨機、初值敏感性以及難以預測等特性，成為研究者們關注的焦 點。根據置亂的對象來分，基于混沌的圖像加密方法可以分為兩類像素位置置亂和像素值 置亂。像素位置置亂的特點是加密效率高，效果好，但算法的安全性不高，難以抵抗統(tǒng)計攻 擊；像素值置亂的特點是算法安全性高，但加密效果不好，效率低。此外，傳統(tǒng)的基于混沌的 像素值的加密算法均是用單一混沌映射產生的混沌序列直接與像素的灰度值疊加來實現(xiàn) 圖像的加密。大量文獻指出，利用單一混沌映射實現(xiàn)的圖像加密算法具有安全性較低，混沌 序列易破譯以及密鑰空間小等缺點。除了基于混沌的圖像加密方法外，一些學者還提出了 利用圖像融合技術來實現(xiàn)圖像的加密，然而，現(xiàn)存的圖像融合方法具有融合參數(shù)難以控制 的缺點，如果融合參數(shù)等于O，則原始圖像被顯示出來；反之，如果融合參數(shù)等于l，則模板 圖像被顯示出來。可見，該方法的安全性受到了威脅，攻擊者通過融合參數(shù)的調節(jié)就可以獲 得原始圖像。 DNA加密系統(tǒng)是近年來伴隨著DNA計算的研究而出現(xiàn)的密碼學新領域，其特點是 以DNA為信息載體，以現(xiàn)代生物技術為實現(xiàn)工具，挖掘DNA固有的高存儲密度和高并行性等 優(yōu)點，實現(xiàn)加密、解密等密碼學功能。已有的基于DNA加密的算法大多要用生物實驗進行操 作，由于生物實驗設備昂貴，實驗環(huán)境難以控制，實驗靈敏性高等缺點，目前基于DNA加密 的研究還是理論多于實踐。 為了克服上述加密方案的缺點，本專利技術提出一種基于DNA序列和多混沌映射的圖 像融合加密算法，擺脫了DNA加密中的復雜生物操作，單純的利用DNA序列的加運算并結合 多混沌序列來實現(xiàn)圖像的融合。本算法對圖像的加密效果較好，密鑰空間大，對密鑰的敏感 性強，能夠有效地抵抗窮舉攻擊以及統(tǒng)計攻擊。
技術實現(xiàn)思路
為實現(xiàn)以上目的，本專利技術采用的技術方案是首先對原始圖像和模板圖像進行 DNA編碼，然后利用Cubic映射和小波函數(shù)產生的二維混沌序列置亂由編碼得到的兩個DNA 序列矩陣。接著對置亂后的兩個DNA序列矩陣做加法運算，得到一個新的DNA序列矩陣，最 后利用Logistic映射產生的混沌序列與該DNA序列矩陣相作用來得到加密圖像。附圖1 所示為本專利技術的算法流程圖，其具體包括以下技術環(huán)節(jié) 1.混沌序列的產生 本專利技術用Cubic映射、小波函數(shù)映射和Logistic映射來實現(xiàn)圖像加密。 (l)Cubic映射 Cubic映射定義如下 xn—丄=yxJ+a-iOxn (1) 其中XnG ，n = 0，1，2，…，當ii G 時，產生混沌序列。 (2)小波函數(shù)映射 小波函數(shù)在一定的條件下迭代也能夠產生混沌現(xiàn)象。在一個一維小波函數(shù)構成的 迭代公式(2)中:^=^:(1_:^)邵(~0.5(;(; +//)2) (2) 當k = 1. 33， x G (0， 1) ， ii G 時會出現(xiàn)混沌現(xiàn)象。 (3)Logistic映射 Logistic映射是一種典型的混沌映射，其定義如下 xn+1 = iixn(l-xn) (3) 其中y G ， xn G (O，l)， n = 0，1，2，…。當0 < ii《3. 569945時，該動 力系統(tǒng)從穩(wěn)定狀態(tài)分叉產生倍周期；當3. 569945 < y《4時，該動力系統(tǒng)進入混沌狀態(tài)。 本專利技術中，由Cubic映射與小波函數(shù)產生的混沌序列，是直接通過初值x。、 y。產生 的實數(shù)混沌序列，而為了與DNA序列相作用，必須將由Logistic映射產生的混沌序列轉換 成二值序列。根據所有的由任意初值產生的混沌實數(shù)序列來定義一個閾值函數(shù)f (x)，取閾 值為0. 5，則f(x)定義如下 /(X)= 通過f (x)就可以把混沌實數(shù)序列轉換成二值序列。 2.圖像的DNA編碼與解碼 單鏈DNA序列由四種堿基A (adenine) 、 C (cytosine) 、 G (guanine) 、 T (thymine)組 成，其中A與T、 C與G互補。用00、01、10、11分別對DNA序列中的四個堿基進行二進制編 碼，由于二進制數(shù)字0與1互補，從而00與11互補，Ol與10互補。本文用A表示01，T表 示10， C表示00， G表示11。通常8位灰度圖像的每一個像素灰度值可以由8位二進制數(shù) 表示，而這8位二進制數(shù)又可編碼成長度為4的DNA序列。 反之，對DNA序列矩陣進行解碼時，用01表示A， 10表示T， 00表示C， 11表示G，這樣一個DNA序列矩陣就可以解碼成二值矩陣，然后，將每8位矩陣元素組成一組進行十進制 轉換，就可以還原成0 255之間的一個實數(shù)。 例如原始圖像的第一個像素灰度值是75，轉換成二進制數(shù)是用上述 DNA編碼映射準則進行編碼得到DNA序列;反之用A映射01， T映射10， C映射00， G映射ll，對這個DNA序列進行解碼，即可得到二進制序列。 3. DNA序列的加減運算 本專利技術用DNA序列的加法運算來實現(xiàn)兩幅圖像的融合，以此來達到加密的目的； 相反地，利用減法運算來實現(xiàn)加密圖像的恢復。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的映射規(guī)則進行DNA編碼，利用二進制的模二運算得出DNA序列的加減運算規(guī)則，見表1與表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序列的加運算 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序列的減運算 4.基于DNA序列與多混沌映射的圖像加密算法 本專利技術算法主要包括以下四部分首先，將原始圖像和模板圖像編碼成兩個DNA 序列矩陣；然后，按照上述3中的DNA加法運算方法來相加兩個DNA序列矩陣，得到'和'DNA 序列矩陣；接著，利用Logistic混沌映射產生的混沌序列對'和'DNA序列矩陣進行取補操 作；最后，對取補后的DNA序列矩陣進行解碼，就可以得到加密圖像，算法流程圖見圖1。然 而，由于原始圖像和模板圖像的相鄰像素之間的相關性較大，使得由編碼得到的DNA序列 矩陣出現(xiàn)了許多相同的堿基，見圖2(a)、 (b)，其中圖2(a)顯示了對原始圖像編碼后的DNA 序列矩陣的部分圖，圖2(b)顯示了對模板圖像編碼后的DNA序列矩陣的部分圖。因此為了 降低像素之間的相關性，必須在做DNA相加運算之前對DNA序列矩陣進行置亂。本文檔來自技高網...
【技術保護點】
基于ＤＮＡ序列與多混沌映射的圖像融合加密方法，其特征在于，該方法包括如下步驟： （１）輸入兩幅８位灰度圖像Ａ（ｍ，ｎ）、Ｂ（ｍ，ｎ），ｍ、ｎ為圖像Ａ、Ｂ的行列維數(shù)； （２）將圖像Ａ、Ｂ轉化成二值矩陣，按照ＤＮＡ編碼映射規(guī)則進行ＤＮＡ編碼，得到兩個ＤＮＡ序列矩陣Ａｂ、Ｂｂ； （３）利用Ｃｕｂｉｃ映射和小波函數(shù)分別以初值ｘ↓［０］，ｙ↓［０］，系統(tǒng)參數(shù)μ↓［１］，μ↓［２］產生兩個混沌序列｛ｘ↓［ｍ］｝、｛ｙ↓［ｎ］｝； （４）將這兩個序列按升序排列，得到兩個新序列｛ｘ↓［ｍ］′｝、｛ｙ↓［ｎ］′｝； （５）將｛ｘ↓［ｍ］′｝、｛ｙ↓［ｎ］′｝各元素所在的位置之值替換原序列｛ｘ↓［ｍ］｝、｛ｙ↓［ｎ］｝中的該元素，得到兩個新的序列｛ｘ↓［ｍ］″｝，｛ｙ↓［ｎ］″｝； （６）用這兩個序列作為置亂矩陣的行地址和列地址，用此矩陣對矩陣Ａｂ、Ｂｂ的位置進行置亂，得到新的ＤＮＡ序列矩陣Ａｂ′、Ｂｂ′； （７）按照ＤＮＡ加運算規(guī)則，執(zhí)行Ａｂ′＋Ｂｂ′得到ＤＮＡ序列矩陣Ｃｂ； （８）利用Ｌｏｇｉｓｔｉｃ混沌映射，在初值為ｚ↓［０］，系統(tǒng)參數(shù)為μ↓［３］的條件下，產生長度為ｍ×ｎ×８／２的混沌序列ｚ↓［ｉ］； （９）利用閾值函數(shù)ｆ（ｘ）將混沌序列轉化成二值序列，并對其重構得到大小與矩陣Ｃｂ相同的二值矩陣ｚ，當ｚ（ｉ，ｊ）＝１時，Ｃｂ（ｉ，ｊ）取補，否則不變。執(zhí)行取補后，得到ＤＮＡ序列矩陣Ｃｂ′； （１０）對矩陣Ｃｂ′按照（２）的逆過程獲得矩陣Ｃ，輸出圖像Ｃ。...
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：張強，薛香蓮，魏小鵬，
申請(專利權)人：大連大學，
類型：發(fā)明
國別省市：91[中國|大連]
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