基于dna编码和混沌映射的图像加密算法
【专利摘要】基于DNA编码和混沌映射的图像加密算法，包括以下步骤：首先是通过一维逻辑混沌映射产生的索引表分别对数字图像的行和列的像素进行位置的交换，从而达到对图像像素置乱的目的；然后将置乱后的每一个像素值用4个DNA编码表示，再利用Chebyshev映射进行一系列的迭代运算从而得到一个一维序列；接着利用该序列对已经编好的DNA序列根据一定的规则进行对应的互补替换；最后将得到的像素值还原成图像，即为加密后的图像。实验结果和安全分析证明该算法不仅可以达到良好的加密效果，而且有足够大的密钥空间去抵制一般的攻击。
【专利说明】基于DNA编码和混沌映射的图像加密算法
【技术领域】:
[0001]本发明涉及一种数字图像加密算法，尤其涉及一种基于DNA编码和混沌映射的图像加密算法。
【背景技术】:
[0002]随着科技和社会的发展，计算机产业已经在世界上占有了主导地位，其中的一个小的分支数字图像的应用也变得越来越广泛。数字图像已成为目前最流行的多媒体形式之一，在政治、经济、国防、教育等方面均有广泛应用。然而由于网络的开放性，图像传输的安全就受到了一定的威胁。对于某些特殊领域，如军事、商业和医疗，数字图像还需要满足更高的保密要求。因此图像加密技术便成为了一种有效地保护所传输的图像的方法。为了更有效地加密数字图像，一般先将二维图像转换成一维数据，再采用传统加密算法进行加密。图像加密的目的是在于可以把想要加密的图像完全的遮盖住，以防非法接收者很容易的获得其中的信息。接收方可以通过事先拥有的相关信息或者解密方法方便地解密出原有信息。近年来混沌加密技术已越来越受到人们的重视。混沌现象是非线性系统的一种内在类随机过程的表现，对初值有非常敏感的依赖性，从而导致结果难以预测。混沌加密技术的优点是:实现简单、鲁棒性好、加密速度快、安全性高等。虽然混沌加密技术有很多值得利用的优点，但不可否认的是它也存在一些不足，例如:目前绝大多数混沌加密算法实质上是单一的图像像素值置乱或位置置乱，而单一的使用其中任一一种以上的方法都无法保证图像具有较高的安全性。由于这种问题的存在，便容易让攻击者通过像素比较的方法加以破解。
[0003]基于以上问题，本论文将混沌加密技术与基于DNA计算的图像加密技术进行了结合，从而解决了混沌加密技术在对图像置乱时产生不安全的隐患问题。1994年，Adleman首次提出了 DNA计算，开创了信息处理的新阶段。目前，DNA加密已成为国际密码学研究的前沿领域。DNA分子具有超大规模并行性、超低的能量消耗和超高的存储密度，使得基于DNA计算的图像加密算法具有传统密码算法所不具有的独特优势。但是单独利用DNA编码加密的安全性不高，因此该算法将DNA编码与混沌加密技术进行结合，从而有效的提高了图像加密算法的安全性。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种基于DNA编码和混沌映射的图像加密算法。主要分为两大部分:一部分是通过利用Logistic映射(一维逻辑混沌映射)产生的混沌索引对图像进行像素的置乱；另一部分是通过利用Chebyshev映射(切比雪夫混沌映射)和DNA编码对图像进行像素的扩散。最后通过以上两部分的结合得到图像的加密算法，该算法可以对任意大小的图像通过改变初值的方式进行加密。
[0005]为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0006]基于DNA编码和混沌映射的图像加密算法，包括以下步骤:
[0007]输入:灰度图像I, Logistic映射的初值aQ和bQ,参数μ a和Ub, Chebyshev映射的初值zQ和qQ,参数wz和Wq。
[0008]输出：加密图像。
[0009](1)将灰度图像I转换成大小为MXN的二维矩阵I:，分别升序地将其行数和列数 记录在两个数组R和C中。
[0010](2)根据 Logistic 映射公式 Xn+1=i!Xn(l-Xn)，其中 i! G [3,4], Xn G (0，1)，n=0， 1,2,…利用其产生两个长度分别为m和n的伪随机序列A和B，对A和B这两个序列进行 降序排列，并记录其位置，从而得到伪随机序列的降序索引Indexl和Index2。分别根据这 两个一维的索引序列用来交换矩阵^的行和列，从而产生新的置乱后的图像r。
[0011](3)将图像I'转换成为MXN行8列的二进制二维矩阵I'，，然后随机产生一个 1-8的整数，根据产生的整数决定使用哪种如表1所示的DNA编码规则。根据DNA编码规 则每两位二进制值由1位脱氧核苷酸表示，从而将I'，转换成一个MXN行4列的DNA编 码矩阵，最后再将这个矩阵转化成一个大小为MX NX 4的一维DNA编码序列X。
[0012]表1
【权利要求】
1.一种基于DNA编码和混沌映射的图像加密算法，包括以下步骤: 输入:灰度图像I，Logistic映射的初值a。和Idci,参数yjP μ b, Chebyshev映射的初值Z0和q0,参数Wz和Wq0 输出:加密图像。 (1)将灰度图像I转换成大小为MXN的二维矩阵I1，根据Logistic映射公式产生的两个一维的降序索引序列，用来分别交换矩阵I1的行和列，从而产生新的置乱后的图像。 (2)随机产生一个1-8的整数ι，使用第ι种DNA编码规则，利用该DNA编码规则将矩阵I丨转化成一个大小为MXNX 4的一维DNA编码序列X。 (3)利用Chebyshev映射经过四次变换得到迭代次数序列C。接着随机产生一个1_6的整数r2，使用6种碱基对互补规则中的第r2种规则与Ci上的每一位的值对应，将DNA序列X中核苷酸Xi进行互补替换，互补替换后的DNA序列为V。 (4)随机产生一个1-8的整数r3，使用第r3种DNA编码规则，再把DNA序列V转换成大小为MXNX8 二进制一维序列Ι。把一维二进制序列Ι转换成M行N列的十进制二维矩阵III，最后再把二维矩阵III转换成加密图像ΙΙ并输出。
2.如权利要求1所述的基于DNA编码和混沌映射的图像加密算法，其特征在于所述步骤(I)中的 Logistic 映射公式为 Χη+1= μ Xn(1-Xn),其中当 μ e [3，4]，Xne (0,1),η=0,1,2,…时该数列处于混沛状态。
3.如权利要求1所述的基于DNA编码和混沌映射的图像加密算法，其特征在于所述步骤⑵中的DNA编码规则为:
4.如权利要求1所述的基于DNA编码和混沌映射的图像加密算法，其特征在于所述步骤⑶中的 Chebyshev 映射公式为 Zi+1=cos (w Xarccos (Zi)),其中当I, 2 ^ w ^ 6时该数列处于混沛状态。DNA迭代替换规则为:
【文档编号】G06T1/00GK103473733SQ201310412845
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月12日 优先权日:2013年9月12日
【发明者】张健, 房东鑫, 张语桐 申请人:东北林业大学