一种基于6维混沌系统的彩色图像一次性密钥DNA加密方法

摘要

本发明涉及图像处理与信息安全领域，具体涉及一种基于6维混沌系统的彩色图像一次性密钥DNA加密方法。本发明对于明文彩色像素图像P为.bmp格式，图像尺寸为M×N，提取图像的三色通道矩阵分别构成三个M×N的矩阵P_R，P_G，P_B；产生一个随机数R，求取32位十六进制图像散列值MD5，MD5＝MD(P,R)；将MD5平均分成8份，将MD归一到(0,0.01)之间。本发明提供一种基于6维混沌系统的彩色图像一次性密钥DNA加密方法。引入了散列值和绝对误差概念，使加密算法与图像明文相联系，有效提升了算法安全性；本发明引入了DNA序列像素值调整和图像三通道耦合运算，有效降低了加密算法复杂程度，极大降低了密文像素值之间的相关性，提高了密文抗攻击特性，加密效果好，安全性高。

主权项

一种基于6维混沌系统的彩色图像一次性密钥DNA加密方法，其特征在于，包括下列步骤：(1)对于明文彩色像素图像P为.bmp格式，图像尺寸为M×N，提取图像的三色通道矩阵分别构成三个M×N的矩阵P_R，P_G，P_B；(2)产生一个随机数R，求取32位十六进制图像散列值MD5，MD5＝MD(P,R)；(3)将MD5平均分成8份，即MD(j)＝{d_j1d_j2d_j3d_j4},j＝1,...,8，将MD归一到(0,0.01)之间，D(i)＝hex2dec(MD(i)),i＝1,...,8；(4)从D中任意选取4个数{D(1),D(3),D(6),D(7)}并求和得到s₁＝D(1)+D(3)+D(6)+D(7)，依次类推求取s₂,s₃,s₄,s₅,s₆，获取绝对误差序列ε＝{ε₁,ε₂,ε₃,ε₄,ε₅,ε₆}，如果s_i×100mod2＝0，则ε_i取+；否则，ε_i取‑，${ϵ}_i=\pm s_i+\underset{j=1}{\overset{8}{\Sigma }}D\left(j\right),i=\mathrm{1,2},...,6;$(5)获取更新后的6维混沌系统初始参数x′_i0,i＝1,2,...,6，代入6th‑CNN高阶混沌系统迭代m+3MN次，去除前m个值获取混沌序列Y＝{y₁,y₂,y₃,y₄,y₅,y₆}，x_i′＝x_i0+ε_i,i＝1,2,...,6，y_i＝x_i×10¹⁴mod256,i＝1,2,...,6；(6)用MD5最后一位计算t＝MD5(32)mod6+1，取y_t的前3M位得到行置乱序列1×3M的TN₁；取y_t+1mod6+1得到列置乱序列M×3N的TN₂；取y_t+2mod6+1的前M×N位并得到明文DNA译码规则序列1×MN的TN₃；取y_t+3mod6+1，y_t+4mod6+1和y_t+5mod6+1的前2M×N位，奇数项获取译码规则1×MN的TN₄₁,TN₅₁,TN₆₁，偶数项获取三通道混沌加密预处理序列1×MN的TN₄₂,TN₅₂,TN₆₂TN＝ymod8+1；(7)将明文P_R,P_G,P_B的每个像素点值转化为8位二进制数，将其每2位为一组，依据TN₃进行DNA译码，7.1)若TN₃(i)＝1，则00＝A,11＝T,10＝C,01＝G；7.2)若TN₃(i)＝2，则00＝A,11＝T,01＝C,10＝G；7.3)若TN₃(i)＝3，则11＝A,00＝T,10＝C,01＝G；7.4)若TN₃(i)＝4，则11＝A,00＝T,01＝C,10＝G；7.5)若TN₃(i)＝5，则10＝A,01＝T,00＝C,11＝G；7.6)若TN₃(i)＝6，则01＝A,10＝T,00＝C,11＝G；7.7)若TN₃(i)＝7，则10＝A,01＝T,11＝C,00＝G；7.8)若TN₃(i)＝8，则01＝A,10＝T,11＝C,00＝G，译码后分别得到明文DNA编码三通道混沌加密预处理序列TN₄₂、TN₅₂、TN₆₂依据译码序列TN₄₁，TN₅₁，TN₆₁进行DNA译码，一码后得到三通道混沌加密DNA序列(8)行置乱：将依次连接构成一个3M×N的矩阵P₁，得到序列TN₁中的元素按升序排列在TN₁中的位置序列TN₁′，将P₁的第一行移动到P₁的第TN₁′(1)行，P₁的第二行移动到P₁的第TN₁′(2)行，…，依次类推，直至P₁的第3M行移动到P₁的第TN₁′(3M)行为止，得到行置乱后矩阵P_1out；TN′＝sort(TN)          (1)(9)列置乱：将P_1out转化成M×3N的矩阵P₂，得到序列TN₂中的每一行元素按升序排列在TN₂中的位置序列TN₂′，将P₂的第i行第j列的元素移动到P₁的第i行第TN₂′(i,j)列，直至P₁的第M行第3N列移动到P₁的第M行第TN₂′(M,3N)行为止，得到列置乱后矩阵P_2out；(10)像素值调整：将P_2out分解成3个M×N矩阵P_3R、P_3G、P_3B，对图像像素值进行加密，其中符号为DNA加法运算，$A\widetilde{+}\{A,T,C,G\}=\{C,G,A,T\},T\widetilde{+}\{A,T,C,G\}=\{G,C,T,A\},$$C\widetilde{+}\{A,T,C,G\}=\{A,T,C,G\},G\widetilde{+}\{A,T,C,G\}=\{T,A,G,C\};$为DNA减法运算：$A\widetilde{-}\{A,T,C,G\}=\{C,A,G,T\},T\widetilde{-}\{A,T,C,G\}=\{G,C,T,A\},C\widetilde{-}\{A,T,C,G\}=\{A,T,C,G\},$$G\widetilde{-}\{A,T,C,G\}=\{T,G,A,C\};$为为DNA异或运算，规则为：$A\tilde{\oplus }\{A,T,C,G\}=\{A,T,C,G\},$$T\tilde{\oplus }\{A,T,C,G\}=\{T,A,G,C\},C\tilde{\oplus }\{A,T,C,G\}=\{C,G,A,T\},G\tilde{\oplus }\{A,T,C,G\}=\{G,C,T,A\}.$最终得到密文图像矩阵和$\left\{\begin{array}{c}{C}_R^{\mathrm{DNA}}=\left(P_{3R}\widetilde{+}{P}_{3G}\widetilde{-}{P}_{3B}\right)\tilde{\oplus }{E}_R^{\mathrm{DNA}}\\ C_G^{\mathrm{DNA}}=\left(P_{3G}\widetilde{+}{P}_{3B}\widetilde{-}{P}_{3R}\right)\tilde{\oplus }{E}_G^{\mathrm{DNA}}\\ C_G^{\mathrm{DNA}}=\left(P_{3B}\widetilde{+}{P}_{3R}\widetilde{-}{P}_{3G}\right)\tilde{\oplus }{E}_B^{\mathrm{DNA}}\end{array}\right.$(11)将和转化成十进制数并复合，最终得到密文图像C_out.bmp格式。