專利名稱：：基于混沌理論和dna剪接模型的圖像加密方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于信息安全領(lǐng)域，具體涉及關(guān)于隱秘圖像加密的一種方法。種數(shù)字圖像的加密方法，是信息安全領(lǐng)域
背景技術(shù)：
：隨著數(shù)字技術(shù)以及計算機網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，人們可以通過網(wǎng)絡(luò)便捷的傳輸各種多媒體信息。然而，由于數(shù)字產(chǎn)品極易被復(fù)制、篡改、非法傳播和蓄意攻擊，為了保證信息在傳輸過程中不會受到竊取和篡改，人們在享受信息傳遞的快捷便利的同時，也對信息傳輸?shù)陌踩院捅Ｃ苄蕴岢隽烁叩囊蟆Ｅc此同時，當今的世界格局發(fā)生了翻天覆地的變化，國際關(guān)系日趨復(fù)雜，各種勢力之間的斗爭愈演愈烈，國防軍隊也加快了信息化建設(shè)的步伐，信息安全問題越來越受到各方關(guān)注。信息安全問題的解決主要依賴于現(xiàn)代科學理論和高技術(shù)手段，依賴現(xiàn)代密碼學核心理論研究、安全體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)安全通信協(xié)議等成果和關(guān)鍵技術(shù)以及借助于此生產(chǎn)的安全產(chǎn)品。多媒體數(shù)據(jù)，尤其是圖像，比傳統(tǒng)的文字蘊涵更大的信息量，因而成為人類社會在信息利用方面的重要手段。因此針對圖像的信息安全保護技術(shù)研究也顯得尤為重要，圖像信息安全是集數(shù)學，密碼學，信息論，概率論，計算復(fù)雜度理論和計算機網(wǎng)絡(luò)，以及其它計算機應(yīng)用技術(shù)于一體的多學科交叉的研究課題。目前這個領(lǐng)域的主要研究方向有數(shù)字圖像加密技術(shù)、數(shù)字圖像分存技術(shù)、數(shù)字圖像隱藏技術(shù)和數(shù)字水印技術(shù)，而隨著科技的發(fā)展，信息安全技術(shù)的發(fā)展也日新月異，各種信息安全新技術(shù)層出不窮。信息加密技術(shù)就是將原來為明文的信息按某種算法進行處理，使其成為不可讀的一串代碼，通常稱為密文，以達到保護信息不被他人非法閱讀、竊取的目的。該過程的逆過程為解密，即將該編碼信息轉(zhuǎn)化為原信息的過程。密碼技術(shù)是信息安全技術(shù)的核心，計算機網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中信息的保密性、完整性、可用性和抵抗性，都需要采用密碼技術(shù)來解決，而在信息傳輸過程中引入加密技術(shù)能有效的提高信息的安全性。雖然目前關(guān)于信息加密的研究正處于蓬勃發(fā)展的階段，但信息加密又是一門新興的學科，理論并沒有十分成熟，許多理論模型還在探索中，許多關(guān)鍵性問題都亟待解決，基于DNA的信息加密就是其中的一種。DNA加密是近年來伴隨著DNA計算的研究而出現(xiàn)的密碼學新領(lǐng)域，其特點是以DNA為信息載體，以現(xiàn)代生物技術(shù)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、認證及簽名等密碼學功能，但現(xiàn)有關(guān)于DNA加密的研究主要集中在如何采用DNA生物鏈進行信息的加密存儲，而由于設(shè)備及生物操作技術(shù)方面的局限性，該方法在技術(shù)上并不具有真正的實用性。目前，DNA密碼在國際上剛剛起步，有效的DNA密碼方法較少，但是由于其所具有的超大規(guī)模并行計算能力、超低的能量消耗和超高密度的信息存儲能力，使得DNA密碼在對實時性要求不高的大規(guī)模并行數(shù)據(jù)加密、安全數(shù)據(jù)存儲、身份認證、數(shù)字簽名和信息隱藏等密碼學應(yīng)用中具有獨特的優(yōu)勢，并逐漸成為信息加密領(lǐng)域中的一個重要研究方向。
發(fā)明內(nèi)容針對隱藏圖像信息的加密問題，本發(fā)明結(jié)合DNA計算中的剪接模型與混沌理論，3提出一種基于混沌理論和DNA剪接模型的圖像加密方法，該方法研究基于DNA序列的圖像信息分組加密技術(shù)，增強秘密圖像的隱秘性，實現(xiàn)圖像信息的加密。本發(fā)明的技術(shù)方案是首先設(shè)定DNA編碼規(guī)則，將秘密圖像進行DNA編碼，獲得DNA明文序列，并生成相應(yīng)的混沌序列；根據(jù)生成的混沌序列及DNA明文序列，基于DNA剪接計算模型，設(shè)計DNA序列分組加密算法實現(xiàn)圖像信息加密。其具體步驟如下步驟1、首先根據(jù)需要進行加密的圖像大小，確定所需DNA序列的長度和數(shù)量，并將灰度圖像轉(zhuǎn)化為二值序列；步驟2、設(shè)計DNA編碼規(guī)則單鏈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，共有4！=24種編碼組合。由于二進制數(shù)字0與1互補，從而OO與11互補，Ol與10互補，故在24種數(shù)字編碼中，有8種編碼滿足編碼準則，選擇其中一種作為當次編碼的規(guī)則，具體的編碼規(guī)則見表l。表lDNA序列的8種編碼、解碼映射準則<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>步驟3、根據(jù)選擇的DNA編碼規(guī)則，將圖像的二值矩陣轉(zhuǎn)化成DNA明文序列，如圖1所示；步驟4、根據(jù)生成的DNA明文序列的長度，設(shè)計其序列分割方法，將DNA明文序列分割成DNA明文子序列組。為了實現(xiàn)基于DNA剪接模型的加密，即實現(xiàn)DNA序列的剪接與拼接，需要將DNA明文長序列分割成若干的DNA明文子序列，即生成DNA明文子序列組，以DNA明文子序列進行DNA序列的剪接計算。本發(fā)明采用的是將DNA序列長度進行開方的方式來選擇子序列的分組數(shù)，比如一個256X256的DNA序列，就被割成256個子序列，每個序列的DNA堿基數(shù)為256個。步驟5、針對秘密圖像生成的DNA明文子序列組，設(shè)計相應(yīng)的混沌置換矩陣，其中生成混沌置換矩陣的初始參數(shù)作為加密的密鑰保存?；煦缡谴_定性系統(tǒng)中的一種貌似隨機的運動?；煦缦到y(tǒng)具有確定性、有界性、對初始條件的敏感性、拓撲傳遞性和混合性等性質(zhì)，產(chǎn)生的混沌序列是一種具有良好隨機性、相關(guān)性和復(fù)雜性的偽隨機序列，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以分析和預(yù)測。因此，利用混沌動力系統(tǒng)產(chǎn)生混沌序列來進行隱秘圖像的加密，可以滿足加密算法的安全性要求。本發(fā)明的混沌序列是采用典型的Logistic映射所產(chǎn)生，其定義如下xn+1=iixn(l-xn)(4)其中iiG，xnG(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(chǎn)生倍周期；當3.569945<y《4時，該動力系統(tǒng)進入混沌狀態(tài)，即由初始條件x。在Logistic映射的作用下所產(chǎn)生的序列{xn|n=0，l，2，*"}是非周期、不收斂的，且對初始條件非常敏感。實驗表明，初始條件任意的改變都會呈現(xiàn)出完全不同的迭代軌跡，因此我們設(shè)定混沌序列參數(shù)及初值K={，x。，s}作為加密算法的密鑰，以Logistic混沌映射算法生成混沌序列。在獲得相應(yīng)的混沌序列之后，將該混沌序列進行二值化，即設(shè)定一個閾值，序列中的數(shù)值大于等于該閾值的設(shè)為l，小于該閾值的設(shè)為O，進而獲得混沌二值序列。而由于基于DNA剪接模型的圖像加密算法需要的是混沌置亂矩陣，因此，采用與DNA序列分割同樣的方式，將該混沌二值序列也轉(zhuǎn)化成相應(yīng)于DNA子序列組的混沌置換矩陣。步驟6、基于DNA剪接模型制定分組加密規(guī)則表，并結(jié)合混沌置換矩陣對此信息進行加密，獲得DNA密文序列；剪接模型被用來描述DNA計算，就是將實際的DNA重組抽象為數(shù)學上的剪接操作，目前剪接系統(tǒng)已被證明具有計算完備性。剪接模型可以用一個四元組A=(V，T，A，R)表示出來。對信息進行加密的最根本目的是將原有的信息(明文)通過一定的過程變?yōu)橥耆煌囊环N形式(密文)再進行傳輸，從而保證信息傳輸?shù)陌踩浴艚幽Ｐ偷姆治隹梢钥吹剑绻麑⒓艚右?guī)則作用于兩個信息序列x=XlulViyi和y=x2u2v2y2，切片重組后可以得到另外兩個序列z=xlUlv2y2和w=x^v仏，過程如圖2所示。在加密時，只要將要處理的明文轉(zhuǎn)化為一組子序列，并將其作為剪接模型中要處理的序列集合A，而將生成的混沌置亂矩陣作為變換的催化酶，依照系統(tǒng)的重組規(guī)則集合R進行剪接處理，經(jīng)過系統(tǒng)處理后A中的序列將被重組而得到L(A)，再將L(A)中的序列連接起來就形成密文序列組。明文序列組和密文序列組將有足夠的不同，從而實現(xiàn)了保密的目的。步驟7、根據(jù)獲得的DNA密文序列，以編碼算法的逆過程進行解碼，得到加密圖像信息；首先將獲取的DNA密文子序列組進行拼接，生成新的DNA密文序列，然后按步驟2的編碼規(guī)則，對DNA密文序列進行解碼，得到圖像的二值序列并將其轉(zhuǎn)化成灰度圖像，完成圖像的加密過程。在獲得加密圖像之后，我們可以采用相應(yīng)的算法和密鑰對加密圖像進行解密，具體步驟如下步驟1、根據(jù)需要進行加密的圖像大小，確定所需DNA序列的長度和數(shù)量，并將灰度圖像轉(zhuǎn)化為二值序列；步驟2、選擇與加密過程相同的編碼規(guī)則，將二值序列轉(zhuǎn)化為DNA密文序列，并將其以同樣的方式分割成DNA密文子序列組；步驟3、根據(jù)獲得的密鑰和混沌映射算法，將密鑰作為混沌映射算法的初始參數(shù)，重新生成混沌序列，并以同樣的方式將其轉(zhuǎn)換為混沌二值置亂矩陣；步驟4、基于DNA剪接模型的加密算法的逆過程，對DNA密文序列進行解密，獲得DNA明文子序列組，并將其拼接成DNA明文序列；步驟5、以加密過程中的編碼規(guī)則進行DNA序列解碼，獲得圖像二值明文序列，并轉(zhuǎn)換成隱密圖像的灰度圖。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點1、由于DNA計算具有的超大規(guī)模并行計算能力、超低的能量消耗和超高密度的信息存儲能力，而混沌系統(tǒng)具有保密性強、隨機性好、密鑰量大、更換密鑰方便等優(yōu)點。結(jié)合DNA密碼和混沌理論的優(yōu)點，采用混沌映射的方式生成密鑰，以DNA剪接系統(tǒng)的方式來實現(xiàn)圖像的DNA序列加密，進而實現(xiàn)圖像加密，大大降低了解密的可能性，有效的提高了圖像的加密強度。2、該方法通過將圖像以DNA偽碼的方式進行加密，具有很強的新穎性，為將來基于生物操作的DNA加密方法提供了一種可能。同時，該方法還有密鑰空間大，加密效果好，加密圖像能有效抵抗窮舉攻擊和統(tǒng)計分析攻擊等優(yōu)點，能有效的實現(xiàn)圖像加密保護。圖1是本發(fā)明的圖像編碼圖；圖2是本發(fā)明的DNA剪接模型示意圖；圖3是本發(fā)明的基于DNA剪接模型的圖像加密系統(tǒng)流程圖；圖4是本發(fā)明的直方圖分析結(jié)果圖；圖5是本發(fā)明的密鑰敏感性分析圖；圖6是本發(fā)明的水平方向相關(guān)系數(shù)分析圖。具體實施例方式結(jié)合圖3對本發(fā)明的實施過程作詳細說明，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述實施例。實施例采用了Lena彩色圖像，圖像大小為512X512，具體的加密過程如下1、圖像預(yù)處理本發(fā)明所涉及的是灰度圖像的加密，因此采用Matlab的rgb2gray函數(shù)將Lena圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像。2、圖像的DNA編碼(1)圖像灰度矩陣轉(zhuǎn)化為二進制Lena的灰度圖像像素大小為512X512，灰度值在之間，采用Matlab的dec2bin函數(shù)，將該圖像矩陣轉(zhuǎn)化成二進制矩陣。(2)選擇編碼規(guī)則由技術(shù)方案步驟2可知，可選編碼規(guī)則共有8種，通過設(shè)置初始參數(shù)的方式選擇其中的一種作為當次加密的編碼規(guī)則，比如選取規(guī)則1作為本次實驗的編碼規(guī)則。(3)DNA編碼按上述步驟獲得圖像的二進制矩陣和編碼規(guī)則之后，將該圖像進行DNA編碼，獲得DNA明文序列，該序列長度為512X512X8/2=1048576，部分序列編碼過程如圖1所示；(4)DNA序列分割采用將DNA序列長度進行開方的方式來選擇子序列的分組數(shù)，將長度為1048576的DNA明文序列分割成1024個DNA子序列，每個子序列的長度為1024。為K:3、混沌置換矩陣生成(1)混沌序列生成由技術(shù)方案步驟5可知，該置換矩陣的由Logistic映射產(chǎn)生，設(shè)置其參數(shù)及初值ii，x。，s}={3.99998,0.3256362528，150}，獲得1024X1024的混飩序列。(2)混沌序列二值化設(shè)置閾值為Th=0.5，將混沌序列轉(zhuǎn)化為二值序列，其中大于等于Th的值設(shè)為1，小于Th的值設(shè)為O。(3)將混沌序列轉(zhuǎn)換成1024X1024的混沌置換矩陣B。4、DNA序列加密基于剪接系統(tǒng)，以混沌置換矩陣對DNA子序列組進行加密，加密規(guī)則如下如果Bij=O，無操作；如果By=1，i>j，將第i個DNA子序列的前三分之一(四舍五入)與第j個子序列的前三分之一(四舍五入)進行互換；否則如果By=1，i<j，將第i個DNA子序列的后三分之一(四舍五入)與第j個子序列的后三分之一(四舍五入)進行互換；否則如果By=1，i=j將第i個DNA子序列的所有堿基取補，即實現(xiàn)堿基的A和T互換，C和G互換。之后，為了進一步實現(xiàn)DNA序列的加密，將每一個子序列再次分割成128X8的子子序列，以相同的方式，生成128X128的混沌置換矩陣，并進行子子序列的加密，最終完成DNA序列的加密過程。5、DNA序列解碼以分割過程的逆過程，將DNA密文子序列拼接成DNA密文序列，并以編碼的逆過程進行DNA密文序列的解碼，生成加密圖像。加密性能評價分別采用直方圖分析，密鑰敏感性分析以及相關(guān)性分析等方法對加密圖像進行性能評測。直方圖分析是最為常見的一種統(tǒng)計攻擊方法，攻擊者可以利用像素灰度值的統(tǒng)計特性來恢復(fù)原圖像，該方法的評測結(jié)果如圖4所示。密鑰敏感性分析主要針對初始密鑰來進行攻擊，較常用的有窮舉攻擊法，而本加密方法對密鑰極為敏感，只要解密密鑰和加密密鑰稍有不同，將無法正確解密，而且錯誤解密結(jié)果不能反映與明文有關(guān)的信息。因此，該方法也具有較好的抗窮舉攻擊能力，實驗結(jié)果如圖5所示。相關(guān)性分析是另一種統(tǒng)計攻擊方法，它主要采用相鄰像素之間的相關(guān)性來進行統(tǒng)計分析攻擊，而相鄰像素的相關(guān)性越小則說明該加密算法的抗攻擊能力越好，具體的實驗結(jié)果如表2及圖6所示表2原圖與加密后圖像的相關(guān)系數(shù)結(jié)果原始圖像加密圖像水平方向0.97540.03947<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>由評測結(jié)果可以看出，該方法具有很好的加密效果，對密鑰具有很高的敏感性，同時也能有效的抵抗直方圖和相關(guān)性分析等統(tǒng)計分析攻擊。權(quán)利要求一種基于混沌理論和DNA剪接模型的圖像加密方法，其特征在于，該方法包括圖像的DNA編碼、用于加密的混沌置換矩陣生成及基于DNA剪接模型的DNA序列加密算法，其主要的加密步驟如下(1)根據(jù)需要進行加密的圖像大小，確定所需DNA序列的長度和數(shù)量，并將灰度圖像轉(zhuǎn)化為二值序列；(2)設(shè)定DNA編碼規(guī)則，并基于該編碼規(guī)則將圖像二值序列編碼成DNA明文序列；(3)根據(jù)生成的DNA明文序列的長度，設(shè)計其序列分割方法，將DNA明文序列分割成DNA明文子序列組；(4)按DNA明文子序列個數(shù)及其長度，選擇混沌映射算法及參數(shù)，生成相應(yīng)的混沌置換矩陣，其中生成混沌置換矩陣的初始參數(shù)作為密鑰；(5)基于DNA剪接模型計算方式，設(shè)計加密算法，以混沌置換矩陣對DNA明文子序列組進行加密，生成DNA密文子序列組，并將其進行拼接，生成DNA密文序列；(6)將DNA密文序列按相應(yīng)的編碼規(guī)則進行解碼，獲得加密圖像，完成隱秘圖像的加密過程。2.—種基于混沌理論和DNA剪接模型的圖像解密方法，其特征在于，具體解密步驟如下(1)根據(jù)需要進行加密的圖像大小，確定所需DNA序列的長度和數(shù)量，并將灰度圖像轉(zhuǎn)化為二值序列；(2)選擇與加密過程相同的編碼規(guī)則，將二值序列轉(zhuǎn)化為DNA密文序列，并將其以同樣的方式分割成DNA密文子序列組；(3)根據(jù)獲得的密鑰和混沌映射算法，將密鑰作為混沌映射算法的初始參數(shù)，重新生成混沌序列，并以同樣的方式將其轉(zhuǎn)換為混沌二值置亂矩陣；(4)基于DNA剪接模型的加密算法的逆過程，對DNA密文序列進行解密，獲得DNA明文子序列組，并將其拼接成DNA明文序列；(5)以加密過程中的編碼規(guī)則進行DNA序列解碼，獲得圖像二值明文序列，并轉(zhuǎn)換成隱密圖像的灰度圖，完成圖像的解密過程。全文摘要本發(fā)明公開了一種基于混沌理論和DNA剪接模型的圖像加密技術(shù)。DNA加密是近年來伴隨著DNA計算的研究而出現(xiàn)的密碼學新領(lǐng)域，其特點是以DNA為信息載體，以現(xiàn)代生物技術(shù)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、認證及簽名等密碼學功能。而混沌系統(tǒng)由于其所具有的寬頻譜、類隨機性、對結(jié)構(gòu)參數(shù)及初始狀態(tài)的極端敏感性等一系列性質(zhì)，具有難以重構(gòu)和預(yù)測的特點，是密碼學研究的一個重要領(lǐng)域。結(jié)合DNA密碼和混沌理論的優(yōu)點，我們提出了一種基于混沌與DNA剪接模型的圖像分組加密技術(shù)。該方法首先設(shè)定DNA的編碼規(guī)則，將秘密圖像進行DNA編碼及優(yōu)化，獲得DNA明文序列，并生成相應(yīng)的混沌序列；根據(jù)生成的混沌序列及DNA明文序列，基于DNA剪接計算模型，設(shè)計DNA序列分組加密算法實現(xiàn)圖像的信息加密，有效的提升了圖像信息的加密效果。文檔編號H04L29/06GK101719908SQ200910220330公開日2010年6月2日申請日期2009年11月26日優(yōu)先權(quán)日2009年11月26日發(fā)明者周昌軍,張強,魏小鵬申請人:大連大學