一種基于信息熵與時空混沌系統(tǒng)的圖像加密方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于信息安全密碼學(xué)領(lǐng)域，特別是圖像加密的方法，具體地說是基于信息 熵與時空混沌系統(tǒng)的圖像加密方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)上數(shù)字圖像的傳輸越來越普遍。然而在不安全的 網(wǎng)絡(luò)信道中，傳輸數(shù)字圖像存在很大的安全威脅，因此需要采用密碼技術(shù)保證數(shù)字圖像的 安全性。但是由于數(shù)字圖像不同于文本的一些特征，比如數(shù)據(jù)容量大，圖像像素之間存在很 大的相關(guān)性等，使得傳統(tǒng)的圖像加密算法，包括DES，IDEA，AES等，不適合用來圖像加密。
[0003] 混沌系統(tǒng)的特殊性質(zhì)，比如對初始條件和系統(tǒng)參數(shù)的敏感性、偽隨機性、遍歷性 等，使混沌很適合用來設(shè)計傳統(tǒng)密碼的替代算法。根據(jù)Shannon研究，混沌系統(tǒng)的性質(zhì)和密 碼算法混沌和擴散特征直接關(guān)聯(lián)。其中時空混沌系統(tǒng)由于具有良好的混沌動力學(xué)特征，在 數(shù)字化中有更長的周期，具有良好密碼特征，所以被廣泛用在混沌密碼算法設(shè)計中。并且時 空混沌能夠并行實現(xiàn)，具有較大的密鑰空間，因此適合用來圖像加密，本文也將利用時空混 沌系統(tǒng)設(shè)計圖像加密算法。
[0004] 由于DNA計算的強大的并行能力和存儲空間，超低的能量消耗和大量的研究，DNA 密碼成為密碼學(xué)的一個嶄新的研究領(lǐng)域。目前基于DNA的圖像加密算法也越來越普遍，它 主要分為兩個階段：首先利用DNA理論將明文圖像編碼為DNA序列，即將一個像素分解為 四個DNA序列，這能夠有效提高圖像加密混淆和擴散的能力；其次，由編碼后的明文圖像生 成一個密鑰圖像，并基于DNA操作生在最終的密文圖像。最近大連大學(xué)張強提出兩種基于 DNA編碼的圖像加密方案，其中一種但很快被分析是不可逆的，并且也無法抵抗選擇明文攻 擊，另一種對于明文圖像和密鑰不具有敏感性，并且等價的密鑰能夠被重構(gòu)，因此無法保證 安全性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明技術(shù)解決問題：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于信息熵與時空混沌系 統(tǒng)的圖像加密方法，該方法能夠有效增加圖像加密算法的混淆和擴散能力，而且夠可以有 效抵抗選擇明文攻擊。
[0006] 根據(jù)目前圖像加密方案的缺陷和不足，可以總結(jié)出設(shè)計混沌圖像加密算法一些規(guī) 貝1J，如下所述：
[0007] (1)密文圖像應(yīng)該對密鑰和明文具有較強的敏感性；
[0008] (2)圖像加密方案的結(jié)構(gòu)安全性非常重要，一些結(jié)構(gòu)的缺陷能夠暴露圖像加密方 案的等價密鑰，而不用去窮盡搜索密鑰；
[0009] (3)高維混沌系統(tǒng)由于具有更高的復(fù)雜性，因此更加適合用設(shè)計圖像加密方案。一 些低維混沌系統(tǒng)，具有短周期和小的密鑰空間等明顯的不足；
[0010] (4)密鑰或其它秘密的信息應(yīng)該和明文或密文相關(guān)，這能夠有效抵抗選擇明文攻 擊。
[0011] 根據(jù)上述規(guī)則，本發(fā)明利用混純系統(tǒng)，DNA(Deoxyribonucleic acid的簡稱）編碼 和信息熵，設(shè)計了一種新的圖像加密方案。在該方案中，Logi stic混沌系統(tǒng)用來生成DNA矩 陣和圖像編碼規(guī)則，然后生成的DNA矩陣和編碼的圖像執(zhí)行DNA加操作。為了增加敏感性， 所生成DNA圖像的熵由Logistic系統(tǒng)迭代擴散，然后用來調(diào)制時空混沌系統(tǒng)的參數(shù)，這能 夠有效加速圖像加密方案的混淆和擴散過程。信息熵的采用導(dǎo)致64位密文擴張，但是這對 所提出方案的性能影響很小，實驗分析表明圖像加密方案能夠抵抗各種攻擊，能夠適合實 際的圖像加密應(yīng)用。
[0012] 實現(xiàn)步驟如下：
[0013] (1)圖像加密方法密鑰的生成；
[0014] (2)將密鑰轉(zhuǎn)換成Logistic混沌系統(tǒng)的初始值和參數(shù)，生成相應(yīng)的編碼規(guī)則，然 后對原圖像進行DNA編碼，再由Logistic混沌系統(tǒng)生成隨機DNA矩陣，通過執(zhí)行DNA加運 算操作對編碼后的圖像進行替換；
[0015] (3)根據(jù)替換得到DNA編碼圖像，計算其信息熵；
[0016] (4)將得到的信息熵值轉(zhuǎn)換為時空混沌系統(tǒng)的控制參數(shù)，其初始值由密鑰生成，由 時空混沌系統(tǒng)迭代產(chǎn)生序列的排序關(guān)系對第（2)步替換后的圖像進行置亂；
[0017] (5)對置亂后的圖像再執(zhí)行DNA解碼過程，得到最終密文圖像。
[0018] 所述步驟（2)的圖像DNA編碼和替換采取以下步驟：
[0019] (1)首先根據(jù)DNA編碼規(guī)則，將尺寸為mXn的8位灰度圖像轉(zhuǎn)換為尺寸為mX4n 的DNA圖像；
[0020] (2)根據(jù)Logistic混沌系統(tǒng)迭代值，同樣生成尺寸為mX 4n的DNA矩陣；
[0021] (3)DNA編碼規(guī)則有八種，利用第⑵步Logistic混沌系統(tǒng)生成的隨機數(shù)值，選擇 相應(yīng)的編碼規(guī)則，對第（1)步生成的圖像的每一行分別進行編碼；
[0022] (4)最后將Logistic混沌系統(tǒng)生成的DNA矩陣和原始圖像編碼后的DNA圖像進行 DNA加運算。
[0023] 步驟（3)所述的利用Logistic混純系統(tǒng)偽隨機特性，來確定原始圖像編碼方法采 取以下步驟：首先根據(jù)密鑰值對Logistic混沌系統(tǒng)迭代，然后采用量化產(chǎn)生的值，在八種 DNA編碼規(guī)則中隨機選擇，以確定原始圖像每一行的編碼方法。
[0024] 步驟（3)所述的選編碼圖像信息熵的計算采取以下步驟：
[0025] (1)首先根據(jù)信息論熵的定義對圖像信息熵的值進行計算；
[0026] (2)根據(jù)Logistic混沌映射的初始值敏感特性，對圖像信息熵的值進行擴散；
[0027] (3)將擴散后圖像信息熵編碼轉(zhuǎn)換為64位的二進制串；
[0028] (4)為防止圖像信息熵泄露，再次利用Logistic混沌系統(tǒng)對第⑶步轉(zhuǎn)換生成的 64位二進制信息熵進行異或的加密運算。
[0029] 步驟（4)所述的采用基于時空混沌系統(tǒng)的圖像置亂過程采取以下步驟：
[0030] (1)圖像信息熵調(diào)制到三維時空混沌系統(tǒng)的參數(shù)中，然后對時空混沌系統(tǒng)進行迭 代，根據(jù)編碼后圖像尺寸產(chǎn)生兩個隨機序列，然后對隨機序列進行排序；
[0031] (2)根據(jù)排序產(chǎn)生索引關(guān)系，對編碼后圖像分別進行行和列的置換，對置換后的圖 像進行DNA解碼，即可得到密文圖像。
[0032] 本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比，其優(yōu)勢在于：
[0033] (1)利用Logistic和時空混沌系統(tǒng)的極端敏感性，同時結(jié)合DNA編碼，能夠有效增 加圖像加密算法的混淆和擴散能力；
[0034] (2)通過編碼圖像信息熵調(diào)制時空混沌系統(tǒng)的參數(shù)，它利用了時空混沌系統(tǒng)對參 數(shù)值的極端敏感性，同時根據(jù)明文信息進行加密，能達到非常好的置亂效果，明文的微小變 化，可以導(dǎo)致密文的完全改變，并且也可以有效抵抗選擇明文攻擊。
[0035] (3)圖像加密方案結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。
【附圖說明】
[0036] 圖1是本發(fā)明加密流程圖；
[0037] 圖2是本發(fā)明解密流程圖。
【具體實施方式】：
[0038] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0039] 時空混沌映射由公式（1)和公式（2)描述：
[0040] xn+1(i) = (1-ε )f (xn(i),u)+0. 5[f (xn(i+l),u)+f (xn(i-l),u)] (I)
[0041 ] f (x, u) = ux · (l_x) (2)
[0042] 其中i = 1，2···，N，u e [3. 75, 4]是控制參數(shù)，N代表時空混沌系統(tǒng)的維數(shù)，f(x，u) 為Logistic混純映射，ε是親合參數(shù)，時空混純系統(tǒng)的邊界條件為：xn(j) =χη(N+j)，N的 值為3。
[0043] 參閱圖1加密流程圖，本發(fā)明加密過程可以分為以下五個步驟：
[0044] (1)密鑰生成
[0045] 將Logistic混沌映射的初始值和參數(shù)(.τ(, <)以及時空混沌系統(tǒng)的初始值和耦合 參數(shù)? 3作為密鑰，時空混沌系統(tǒng)的參數(shù)us從圖像信息熵的推導(dǎo)而來。
[0046] (2)圖像DNA編碼和替換
[0047] 輸入尺寸為mXn為8位灰度圖像Iinput，對于其中的每個灰度像素Vl，i = 1，2,…，!^，采用如下公式分解為四個元素：
[0049] 其中 < 代表每個像素拆分成的四部分。
[0050] 通過這種方式，可以將Iinput轉(zhuǎn)換尺寸為mX4n的矩陣I '，然后根據(jù)初始值4和參 數(shù)迭代方程（2)中的Logistic混沌系統(tǒng)，獲得以下序列：
[0051] L1= {x !，x2,…，x4n}
[0052] 可以通過式（4)和（5)將L1轉(zhuǎn)換成如下DNA序列：
[0053