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基于DNA動態編碼的彩色圖像加密方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510454560.9

申請日:

2015.07.29

公開號:

CN105046161A

公開日:

2015.11.11

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 發明專利更正號牌文件類型代碼=1608號牌文件序號=101783348805卷=34號=19-01頁碼=扉頁IPC(主分類)=G06F0021600000更正項目=發明人誤=柴秀麗;李輝;朱長江;李征;甘志華;楊康;段修慶;程云龍正=柴秀麗;陳輝;朱長江;李征;甘志華;楊康;段修慶;程云龍|||發明專利公報更正號牌文件類型代碼=1608號牌文件序號=101783348805卷=34號=19-01IPC(主分類)=G06F0021600000更正項目=發明人誤=柴秀麗;李輝;朱長江;李征;甘志華;楊康;段修慶;程云龍正=柴秀麗;陳輝;朱長江;李征;甘志華;楊康;段修慶;程云龍|||發明專利公報更正號牌文件類型代碼=1608號牌文件序號=101782893918卷=34號=17-02IPC(主分類)=G06F0021600000更正項目=發明人誤=李輝正=陳輝|||授權|||著錄事項變更IPC(主分類):G06F 21/60變更事項:發明人變更前:柴秀麗 甘志華 李征 楊康 高育林 程云龍 段修慶變更后:柴秀麗 李輝 朱長江 李征 甘志華 楊康 段修慶 程云龍|||實質審查的生效IPC(主分類):G06F 21/60申請日:20150729|||公開
IPC分類號: G06F21/60(2013.01)I 主分類號: G06F21/60
申請人: 河南大學
發明人: 柴秀麗; 甘志華; 李征; 楊康; 高育林; 程云龍; 段修慶
地址: 475001河南省開封市順河區明倫街85號
優先權:
專利代理機構: 鄭州大通專利商標代理有限公司41111 代理人: 陳大通
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510454560.9

授權公告號:

||||||||||||||||||

法律狀態公告日:

2018.07.06|||2018.07.06|||2018.07.03|||2018.05.08|||2018.04.27|||2015.12.09|||2015.11.11

法律狀態類型:

發明專利更正|||發明專利公報更正|||發明專利公報更正|||授權|||著錄事項變更|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明涉及一種基于DNA動態編碼的彩色圖像加密方法,包括:通過彩色明文圖像獲得密鑰;由密鑰分別計算置亂和擴散過程中所用混沌系統的初始值和參數;將初始值和參數帶入混沌系統迭代,得W1和W2,由W1得置亂矩陣K,W2得整數矩陣Y和索引矩陣Ind,根據Ind對Y進行DNA編碼;利用矩陣K對明文圖像逐行進行置亂,接著進行編碼與擴散,直到所有的行完成DNA加密,最后對DNA矩陣進行解碼、重組得最終的彩色密文圖像。本發明通過采用SHA256函數來產生密鑰,擴大了密鑰空間,并且密鑰的產生依賴于明文,能夠有效抵抗明文攻擊;將混沌特性與DNA動態編碼相結合,進一步提高了安全性;同時按照圖像的行進行置亂與擴散操作,便于并行計算,提高了效率。

權利要求書

1.一種基于DNA動態編碼的彩色圖像加密方法,其特征在于:包括以下步驟:
步驟1.輸入大小為M×N的8位彩色圖像P1,分離彩色圖像P1的RGB三基色分量,
得到分量矩陣P1_RMN、P1_GMN、P1_BMN,每個分量矩陣的大小均為M×N,將
分量矩陣P1_RMN、P1_GMN、P1_BMN按行排序得到大小為M×3N的明文灰度圖像
P2;
步驟2.利用SHA256函數對明文彩色圖像P1進行計算,得到一組256位哈希值,作
為圖像密鑰Key,將該256位圖像密鑰Key換算為32個十進制,平均分為四組,
分別用來計算置亂過程和擴散過程中所用CML混沌系統的初始狀態值和參數;
步驟3.將步驟2中得到的用來計算置亂過程中的CML混沌系統初始狀態值和參數
帶入CML混沌系統中進行迭代,累計得到大小為M×3N的狀態值矩陣W1,將
狀態值矩陣W1按行排序,得到大小為M×3N的置亂矩陣K;
步驟4.將步驟2中用來計算擴散過程中的CML混沌系統初始狀態值和參數帶入
CML混沌系統中進行迭代,累計得到大小為M×3N的狀態值矩陣W2,將狀態
值矩陣W2中每行以8個狀態值為一組,分別對每個狀態值建立索引值;
步驟5.步驟4中狀態值矩陣W2轉化為整數矩陣Y,將矩陣Y按步驟4中的索引值
轉換為對應的DNA矩陣;
步驟6.利用置亂矩陣K的第i行對明文灰度圖像P2的第i行進行置亂,1≤i≤M;
步驟7.將明文灰度圖像P2中已完成置亂的第i行像素按照步驟4中得到的索引值轉
換為對應的DNA序列,并對轉換得到的DNA序列進行擴散操作;
步驟8.令i=i+1,重復步驟6和步驟7,直到明文灰度圖像P2中的每一行像素都完成
DNA加密;
步驟9.將加密過后的DNA矩陣解碼為大小為M×24N的二進制矩陣Q1,對矩陣Q1
進行十進制轉換操作,得到大小為M×3N的十進制密文矩陣Q2,將密文矩陣
Q2平均分為3個大小為M×N的矩陣P3_RMN、P3_GMN、P3_BMN,將三個矩陣合
并重組,得到大小為M×N的彩色密文圖像P3,即得到加密圖像。
2.根據權利要求1所述的基于DNA動態編碼的彩色圖像加密方法,其特征在于:所述
步驟2具體包含如下內容:
步驟2.1.采用LTS映射作為CML混沌系統子模型的局部映射,LTS映射定義為:
f ( x ) = { ( r x ( 1 - x ) + ( r - r ) x / 2 ) mod 1 , x < 0.5 ( r x ( 1 - x ) + ( 4 - r ) ( 1 - x ) / 2 ) mod 1 , x 0.5 , r [ 0 , 4 ] , ]]>通過CML混沌系統來生
成混沌序列,具體表達式如下:
x n + 1 i = ( 1 - ϵ ) f ( x n i ) + ( 1 - η ) ϵ 2 [ f ( x n i + 1 ) + f ( x n i - 1 ) ] + η ϵ 2 [ f ( x n j ) + f ( x n k ) ] , ]]>
其中, j k = 1 p q p q + 1 i i ( mod L ) , ]]>其中,n=1,2,...,n為時間或狀態索引,i,j,k
為映像格子的位置索引,為CML模型中第i個格子在時空n的狀態值,且
1≤j≤L,1≤k≤L,i=1,2,...,L,L為CML混沌系統中的耦合映像格子數,p,q,
ε∈[0,1],η∈[0,1]為CML模型的參數值;
步驟2.2.利用SHA256函數對明文彩色圖像P1進行計算,得到一組256位的哈希值,
作為圖像密鑰,然后將256位的哈希值換算為32個十進制數,并將其定義為
k1,k2,...,k32,將k1,k2,...,k32平均分為四組,分別用k1,k2,...,k8,k9,k10,...,k16,
k17,k18,...,k24,k25,k26,...,k32表示;
步驟2.3.利用k1,k2,...,k8和k9,k10,...,k16通過計算公式計算用于置亂過程中的CML混沌
系統的8個初始狀態值和8個參數值ri,計算公式為
x 0 i = k i / 256 , i = 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 r i = k i + 8 / 64 , i = 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , ]]>其中,為耦合映像格子的狀態值,且
ri為LTS映射的控制參數,且0<ri<4;
步驟2.4.利用k17,k18,...,k24和k25,k26,...,k32通過公式計算用于擴散過程中的CML混沌
系統的8個初始狀態值和8個參數值ri,公式為
x 0 i = k i + 16 / 256 , i = 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 r i = k i + 24 / 64 , i = 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 . ]]>
3.根據權利要求2所述的基于DNA動態編碼的彩色圖像加密方法,其特征在于:所述
步驟3具體包含如下內容:
步驟3.1.將步驟2.3中得到的用于置亂過程中的CML混沌系統的8個狀態值和8個
參數值ri帶入步驟2.1中迭代次,其中,
N 0 = [ 1000 + f l o o r ( k 1 + k 2 + k 3 + ... + k 30 + k 31 + k 32 32 ) ] , ]]>舍棄前N0個數值,累計得到大小
為M×3N的狀態值矩陣W1,floor(x)表示不超過x的最大整數,L為CML混沌系
統中的耦合映像格子數;
步驟3.2.將狀態值矩陣W1按照公式[ignore,K]=sort(W1,2)按行排序,得到大小為
M×3N的置亂矩陣K,其中,sort(W1,2)表示將矩陣W1中每一行的元素按照從小到
大的順序進行排列,ignore表示經過排列之后的矩陣,K表示的是經過排序后的元素
在原數組中對應的位置索引矩陣。
4.根據權利要求3所述的基于DNA動態編碼的彩色圖像加密方法,其特征在于:所述步驟
4具體包含如下步驟:
步驟4.1.將步驟2.4中得到的用于擴散過程中的CML混沌系統的8個狀態值和8
個參數值ri帶入步驟2.1中迭代其中,
N 0 = [ 1000 + f l o o r ( k 1 + k 2 + k 3 + ... + k 30 + k 31 + k 32 32 ) ] , ]]>舍棄前N0個數值,累計得到大小
為M×3N的狀態值矩陣W2,floor(x)表示不超過x的最大整數,L表示CML混沌
系統中的映像格子數;
步驟4.2.對狀態值矩陣W2每行以8個狀態值為一組,通過公式
[ i g n o r e , I n d 1 ] = s o r t ( x , d e s c e n d ) [ i g n o r e , I n d ] = s o r t ( I n d 1 ) ]]>分別對每組狀態值建立索引,對狀態值矩陣W2中的
每一個元素都有一個唯一的索引值與其相對應,通過Ind(i,j)表示矩陣W2中第i行第
j列對應的索引值,且1≤i≤M,1≤j≤3N,其中,sort(x,'descend')表示將x中的
元素按照降序進行排列,x為由8個狀態值構成的數組,ignore表示經過排列之后的
矩陣,Ind1表示的是經過排序后的元素在原數組中對應的位置索引矩陣,sort(Ind1)表
示將Ind1中的元素按照從小到大的順序進行排序,Ind表示對Ind1排序后,其元素在
原Ind1中的位置索引矩陣。
5.根據權利要求4所述的基于DNA動態編碼的彩色圖像加密方法,其特征在于:所述步驟
5包含如下內容:
步驟5.1.將狀態值矩陣W2按照公式
Y(i,j)=mod((W2(i,j)-floor(W2(i,j)))*10^8,256)轉化為整數矩陣Y,其中,
mod(a,b)表示a對b的取模運算;floor(x)表示不超過x的最大整數;Y(i,j)表示得
到的整數矩陣Y的第i行第j列的元素值,其中1≤i≤M,1≤j≤3N;
步驟5.2.定義DNA運算規則,在加密方法中直接使用DNA編碼值進行數學或邏輯運
算;
步驟5.3.將整數矩陣Y中的每個元素按照步驟4中對應的索引值轉換為相應的DNA
矩陣,對于任意的Y(i,j)按照第Ind(i,j)種編碼方案轉換為相應的DNA序列,將DNA
序列的第r個元素記為DNAr(Y(i,j)),其中,r=1,2,3,4,1≤i≤M,1≤j≤3N。
6.根據權利要求5所述的基于DNA動態編碼的彩色圖像加密方法,其特征在于:所述步驟
7具體包含如下內容:
步驟7.1.對明文灰度圖像P2中已完成置亂的第i行元素
P2(i,1),P2(i,2),P2(i,3),...,P2(i,3N)分別按照步驟4中得到的第i行的索引值
Ind(i,1),Ind(i,2),Ind(i,3),...,Ind(i,3N)進行DNA編碼,對任意的P2(i,j)按照第
Ind(i,j)種編碼方案轉換為相應的DNA序列,并且將DNA序列的第r個元素記為
DNAr(P2(i,j)),其中,r=1,2,3,4,1≤i≤M,1≤j≤3N;
步驟7.2.將得到的第i行中像素點的DNA序列通過公式
R r P 2 ( i , j ) = ( DNA r ( P 2 ( i , j ) ) + DNA r ( Y ( i , j ) ) ) R ( r - 1 ) P 2 ( i , j ) ]]>進行擴散操作,其中,
RrP2(i,j)表示加密過后的DNA編碼值,R(r-1)P2(i,j)表示前一個加密的DNA編碼,
若r=1,則表示前一個像素點中最后一個DNA編碼的加密值,且R0P2(i,1)=0。

關 鍵 詞:
基于 DNA 動態 編碼 彩色 圖像 加密 方法
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