基于混沌系統(tǒng)與插入—刪除模型的圖像加密方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及混沌系統(tǒng)和插入一刪除模型，具體講的是用混沌系統(tǒng)與插入一刪除模 型對原始圖像進行加密，其屬于圖像加密領域。
【背景技術】
[0002] 近年來，數(shù)字圖像作為一種信息載體被人們廣泛的應用在網(wǎng)絡傳輸中。然而，由于 網(wǎng)絡的開放性和信息的共享性，攻擊者很容易截獲這些信息，為此人們采取了一系列措施 保證圖像傳輸?shù)陌踩?，其中圖像加密是一種最有效的方式。圖像信息因其冗余性以及數(shù) 據(jù)是二維的等特點，傳統(tǒng)的文本加密方法如DES，AES,IDEA等已經(jīng)不適用于對圖像的加密。 因此基于現(xiàn)代密碼體制的圖像加密技術、基于矩陣變換的圖像加密技術、基于混沌的圖像 加密技術、基于秘密分存的圖像加密技術和基于頻域的圖像加密技術相繼出現(xiàn)。但是，隨著 并行計算機，云計算和量子計算機的快速發(fā)展，這些方法的安全性面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。
[0003] 混沌系統(tǒng)具有對初始值敏感，遍歷性，運動軌跡無規(guī)則等特性，并且與傳統(tǒng)密碼學 有天然的聯(lián)系，因此基于混沌的圖像加密技術曾經(jīng)受到學者的青睞，同時也產(chǎn)生了大量的 混沌加密技術。但是，較小的密鑰空間、較慢的加密速度以及較低的安全性依然是基于混 沌的圖像加密技術發(fā)展的瓶頸。DNA計算在密碼學領域是最新發(fā)展起來的技術，1994年， Adleman演示了一種將DNA應用于解決七點哈密頓路徑問題的概念驗證方法。除此之外， DNA計算具有高度的并行計算能力和高存儲密度，正好可以彌補基于混沌系統(tǒng)的圖像加密 技術的缺點，因此，研宄者們將混沌系統(tǒng)與DNA計算相結(jié)合提出了許多加密算法。盡管一些 基于上述的加密方法在一定程度上提高了圖像傳輸過程中的安全性，但是這些算法關注的 只是DNA序列的加運算、異或運算等基本的序列操作，而沒有考慮生化反應中的具體模型。 生化反應中的DNA計算模型包括剪接模型、粘貼模型、等同檢測模型、插入一刪除模型以及 最小計算模型等，我們可以考慮將這些模型的基本思想引入到圖像加密中，產(chǎn)生良好的加 密效果。
[0004] 本文將插入一刪除模型引入到圖像的加密過程中。插入一刪除模型的機理為：在 一個單鏈的DNA序列中，通過生物酶以及加熱與退火等生物操作技術，插入一段DNA片段或 者刪除一段單鏈的DNA片段。具體操作步驟如下所述。
[0005] 刪除操作：假設數(shù)組第i-1，i，i+1個位置上的值分別為子序列u，y，V，欲在該數(shù)組 中刪除第i個位置上的子序列y，其方法步驟如下：
[0006] 1.將此數(shù)組放入一個試管N中，給試管N中加入單鏈DNA序列3'i/v.\V，x是x 的補序列；
[0007] 2.給試管N施行退火操作，則1/與11，1；與￥結(jié)合，并且被折疊；
[0008] 3.在試管N中加入DNA片段和有關的聚合酶，施行PCR擴增，可以得到完整的雙鏈 DNA分子；
[0009] 4.施行解鏈，得到兩條單鏈，其中一條是刪除子序列y后的DNA序列。
[0010] 插入操作：假設數(shù)組第i-1，i，i+1個位置上的值分別為子序列U，y，v，欲在該數(shù)組 中的第i個位置上插入子序列y，其方法步驟如下：
[0011] 1.將此數(shù)組放入一個試管N中，給試管N中加入單鏈DNA序列
[0012]
【主權項】
1. 基于混濁系統(tǒng)與插入一刪除模型的圖像加密方法，其特征在于：其將混濁映射產(chǎn)生 的混濁序列和生化反應中的插入一刪除模型相結(jié)合；其首先對原始圖像進行DNA編碼，然 后利用Lorenz映射產(chǎn)生的混濁序列置亂由編碼得到的DNA序列，接著用插入一刪除模型再 一次置亂DNA序列，最后利用Lorenz映射產(chǎn)生的混濁序列對得到的DNA序列矩陣進行擴散 操作，最終對序列矩陣解碼得到加密圖像。
2. 根據(jù)權利要求1所述的基于混濁系統(tǒng)與插入一刪除模型的圖像加密方法，其特征在 于；所述加密方法的具體步驟如下： 51、 采用DNA編碼規(guī)則對原始圖像進行編碼得到DNA序列矩陣； 52、 利用Lorenz混濁映射產(chǎn)生混濁序列（X，y，Z) 給定任意的初始值xu，y。，Z。，計算步驟S1中得到的DM序列矩陣的漢明距離、漢明逆距 離和漢明補距離，并將其轉(zhuǎn)換為0-1之間的小數(shù)，將得到的新的漢明距離、漢明逆距離和漢 明補距離分別與X。，y。，Z。相加，得到新的初始值X 1，y。zi;然后結(jié)合系統(tǒng)參數(shù)產(chǎn)生S條混濁 序列（X，y, Z); 53、 用混濁序列（X，y)置亂步驟S1中的DM序列矩陣的值； 對混濁序列（x，y)向下取整，用新得到的序列置亂DNA序列矩陣的值； 54、 用混濁序列（x，z)和插入一刪除模型再一次置亂DNA序列矩陣的值； 55、 用混濁序列（y，Z)和異或運算對步驟S4得到的DNA序列矩陣的值進行擴散操作； 首先將矩陣序列分成大小相同的塊，然后對混濁序列（y，z)向下取整，最后結(jié)合異或 運算按塊擴散DNA序列矩陣的值； 56、 將步驟S5中獲得的大小相同的塊合并得到一個DNA序列矩陣，對其解碼即可得到 加密圖像。
3. 根據(jù)權利要求1所述的基于混濁系統(tǒng)與插入一刪除模型的圖像加密方法，其特征在 于：所述步驟S4的過程如下；首先將步驟S3中獲得的DNA序列矩陣分為大小相同的上下兩 部分；然后對該兩部分進行相同的如下操作：把DNA序列矩陣的一列作為一個子序列，得到 一個與序列矩陣列數(shù)大小相等的一維數(shù)組；利用Lorenz混濁映射產(chǎn)生一條與數(shù)組大小相 同的0與1之間的混濁序列；若混濁序列第i個位置的值小于0. 5,則使用刪除操作把數(shù)組 第i個位置上的元素刪除，并把刪除的元素使用插入操作插入到剩余數(shù)組的末端；否則不 進行任何操作；最后把兩部分合并成一個序列矩陣，操作即完成。
【專利摘要】本發(fā)明涉及圖像加密領域，設計了一種基于混沌系統(tǒng)與插入—刪除模型的圖像加密方法。該方法將漢明距離、漢明逆距離以及漢明補距離引入到混沌系統(tǒng)初始值的產(chǎn)生過程中；除此之外，該方法在加密圖像和解密圖像時，使用插入—刪除模型置亂圖像像素值的位置；最后，將DNA序列的異或操作應用于擴散圖像的像素值。從模擬結(jié)果和安全分析可以得出，該方法具有良好的加密效果，并能抵抗入侵者的各種攻擊。本發(fā)明著重解決的問題是將DNA計算中的插入—刪除模型的基本思想應用于圖像加密中。
【IPC分類】G06T1-00
【公開號】CN104574259
【申請?zhí)枴緾N201510009578
【發(fā)明人】周昌軍, 牛紅葉, 王賓, 張強
【申請人】大連大學
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年1月8日