一种基于细胞神经网络超混沌和dna序列的彩色图像加密方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于信息安全技术领域，具体涉及一种基于超混沌和DNA序列的彩色图像 无损加密方法。
【背景技术】
[0002] 随着信息科学和网络技术的飞速发展，越来越多的数字媒体内容如文本、图像、音 频、视频等在互联网上被广泛传播，而如何保障数字媒体信息的安全成为一个重要而紧迫 的问题。数字图像加密是多媒体信息安全的重要组成部分，得到了国内外学者的广泛关注 和深入研究。由于数字图像具有数据量大、相邻像素相关性强、冗余度高等一些固有的特 性，使得DES，AES、RSA等传统加密算法并不适合用于数字图像加密。
[0003] 近年来，人们发现混沌系统所具有的对初值和参数的极端敏感性、遍历性、类随机 性、弱相关性等优良特性，非常适用于信息加密。1998年，Fridrich教授在文献"Symmetric ciphers based on two-dimensional chaotic maps"[Int·J·Bifurcat·Chaos，vol·8， no. 6, pp. 1259-1284,1998]中提出了 一种基于标准Baker映射的数字图像对称密码算法。迄 今为止，研究人员已提出了许多基于混沌的数字图像加密方案。与传统的加密算法相比，基 于混沌的图像加密算法在安全性、速度、复杂性和计算能力等方面具有更优的性能。混沌图 像加密方案大致可分为两类:一是基于一维（1D)或二维（2D)混沌映射的图像加密方法，二 是基于高维(超)混沌系统的图像加密方法。前者虽然容易实现，但存在密钥空间小、安全性 差等问题。因此，人们越来越多的使用第二类方法来提高密码系统的安全性。
[0004] DNA分子具有超大规模并行性、海量数据存储能力和超低的能量消耗，使得DNA密 码研究成为信息安全领域一个新的增长点。早期的DNA密码算法在具体实现时，需要精密仪 器设备和昂贵的实验材料。2009年，Kang在文献"A pseudo DNA cryptography method" [arXiv: 0903.2693，2009]中提出了 一种伪DNA加密算法，通过在计算机上模拟DNA计算实现 对信息的加密运算，不需要真实的生物实验环境，但该方法只适用于文本加密。在此基础 上，国内外研究人员提出了许多基于DNA计算的图像加密算法。这些算法大多针对的是灰度 图像，而彩色图像在实际应用中更为常见。与灰度图像相比，彩色图像包含的信息量更为 丰富，数据格式和表示更为复杂，绝大部分基于DNA计算的灰度图像加密算法不能简单扩展 应用于彩色图像的加密。此外，现有的基于DNA计算的图像加密算法存在安全性不高问题， 缺少对常见图像处理操作攻击情形的研究。因此，设计安全鲁棒的DNA彩色图像加密算法具 有重要的理论意义和应用价值。
[0005] 为克服现有的基于DNA计算的图像加密算法的缺陷，本发明提出一种利用六阶细 胞神经网络超混沌和DNA序列运算的鲁棒彩色图像加密算法。该算法具有良好的加密效果， 安全性高，对常见的图像处理操作攻击，如噪声、JPEG压缩、剪切、对比度调整等，具有很强 的鲁棒性。
【发明内容】
[0006] 本发明目的在于克服现有的基于DNA计算的数字图像加密算法缺陷，利用超混沌 系统和DNA序列运算，提供一种安全性高、鲁棒性强的彩色图像加密方法。
[0007] 本发明提出的基于DNA计算和超混沌系统的鲁棒彩色图像加密方法，利用DNA序列 运算、六阶细胞神经网络超混沌、图像处理技术等实现。附图1所示为本发明的彩色图像加 密算法流程图，具体步骤如下：
[0008] (1)输入大小为MXN的彩色明文图像P，分离图像P的红、绿、蓝分量得到三个大小 为MXN的矩阵R Q、GQ和Bo;
[0009] (2)任意选取六阶细胞神经网络超混沌系统的初始值，结合明文图像P更新和生成 六阶细胞神经网络超混沌系统以及Logistic-Sine混沌映射系统的参数和初始值，并对两 个混沌系统分别进行迭代运算，得到密钥流K和随机数RN1，RN2，RN3;
[0010] ⑶将十进制矩阵RQ，G〇，B()分别转换为二进制矩阵。然后，根据DNA编码规则和随机 数RN1，RN2，RN3，将这些二进制矩阵分别转换成三个大小为Μ X 4N的DNA序列矩阵R!，Gi，B!;
[0011] (4)对DNA序列矩阵Ri，Gi 1执行两次DNA异或运算，得到三个大小为Μ X 4N的DNA序 列矩阵Rb，G3，B3;
[0012 ] (5)根据DNA解码规则和随机数RN1，RN2，RN3，先将DNA序列矩阵R3，G 3，B3分别转换 为二进制矩阵，再将这些二进制矩阵分别转换为十进制矩阵1?4,64,84，它们分别为加密图像 E的红、绿、蓝分量；
[0013] (6)利用密钥流K和按位异或运算，改变加密图像E的各像素值，得到最终密文图像 C；
[0014] (7)解密过程是加密过程的逆操作，即按逆序执行图像加密运算即解密出明文图 像P。
[0015] 本发明中，步骤(2)中所使用的六阶细胞神经网络超混沌系统，具体描述如下：
[0017]这里，Xi (i = 1，2，…，6)为六阶细胞神经网络超混沌系统的状态变量。
[0018] 步骤(2)中所使用的Logistic-Sine混纯映射系统，具体描述如下：
[0019] yn+i=mod(ryn(l-yn) + (4-r)sin(3Tyn)/4,1) (2)
[0020] 式中，yn和r分别为Logistic-Sine混沌映射系统的状态变量和参数，且re [0,4]， yne(〇,i)0
[0021] 步骤(2)中利用明文图像根据如下式子产生中间值：
[0025]式中，mod为模运算符号，&为按位与运算符号，十为按位异或运算符号。
[0026] 步骤（2)中利用Logistic-Sine混沌映射产生随机数RN1，RN2，RN3的具体步骤如 下：
[0027] SL1 :Logistic-Sine混沌映射的系统参数和初始值按如下式子生成：
[0028] r〇=mod(pi+2P2+3P3,4)
[0029] y〇=mod(pi+P2+P3,1)
[0030] SL2:利用上述系统参数ro以及初始值yo,迭代Logistic-Sine混沌映射500+L(L 2 5000)次，并抛弃前500个值，得到长度为L的实值混沌序列Y。
[0031] SL3:随机数RN1，RN2，RN3按如下式子生成：
[0035] 式中，Fix( ·)表示取整函数，tl，t2，t3为正整数且tl，t2，t3E[8，14]。
[0036] 步骤(2)中利用六阶细胞神经网络超混沌系统生成密钥流K的具体步骤如下：
[0037] ST1:任意选取超混沌系统的初始值心(0)(1 = 1，2,…，6)，并按如下式子更新：
[0038] X' i(0) =mod(xi(0)+Pi，1)，x' 2(0) = -mod(X2(0)+P2，1)，x' 3(0) =-mod(X3(0)+P3， 1)，
[0039] x' 4(0) =-mod(X4(0)+P3，1)，x' 5(0) =mod(X5(0)+Pi，1)，x' 6(0) =mod(X6(0)+P2， l)〇
[0040] ST2:利用更新后的初始值Y τ(0)(τ = 1，2,…，6)，迭代六阶细胞神经网络系统1+ ΜΝ(1 2 700)次，并抛弃前1个值，得到6个长度为ΜΝ的实值混沌序列Χτ(τ = 1，2，…，6)。
[0041 ] ST3:对序列χτ做如下的优化改进：
[0046] 式中，函数Int(x)返回离x最近的整数，〇为正整数且〇e[4，12]。
[0047] ST4:对序列Ω\进行排序，得到三个长度为MN的新序列对序列&中的每个 元素，找到其在序列Ω ' μ中的位置编号并记录下来，从而得到三个长度为丽的位置序列ΤΡμ。
[0048] ST5:将序列ΤΡμ转换成大小为ΜΧΝ的矩阵Κμ，密钥流Κ按如下式子生成：
[0050]本发明中，步骤(3)所使用的DNA编/解码规则如下：
[0052]本发明中，步骤(4)所使用的DNA异或运算规则如下：
[0054] 步骤(4)根据如下式子对DNA序列矩阵办，61，81执行两次0嫩异或运算：
[0057] 这里，i = l，2, =
[0058] 步骤(6)利用密钥流K，根据如下式子对图像E的像素进行扩散处理：
[0060] 式中，i = l，2, =
[0061] 与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0062]本发明提出了一种新的基于DNA计算的彩色图像加密方法，具有安全性高、加密效 果好、鲁棒性强、信息无损失等优点。本发明提供的加密方法使用明文图像和高维超混沌产 生密钥流，使得所设计的密码算法可有效抵抗已知明文攻击、选择明文攻击等。本发明提供 的彩色图像加密