基于RNA的图像加密方法与流程

基于rna的图像加密方法
技术领域
1.本发明涉及图像加密技术领域，尤其涉及一种基于rna的图像加密方法。


背景技术：

2.当今社会，计算机网络改变了人们的通信方式，人们可以通过网络便捷地传输各种多媒体信息。图像作为网络信息传输的载体之一，具有直观性强和信息量大等特点，在互联网通信中扮演着重要的角色。
3.图像中包含大量隐私和机密信息，其在传输过程中的安全性和完整性受到越来越多的重视。若图像明文传输，存在泄密风险，因此，需要对图像进行加密，避免信息被盗窃，保证图片传输的安全性。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决现有技术中明文图像传输安全性低的问题，而提出的一种基于rna的图像加密方法，保证图像传输安全，避免泄密现象。
5.为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
6.一种基于rna的图像加密方法，包括以下步骤：
7.利用二维logistic混沌映射生成rna编码规则；
8.依照rna编码规则对明文图像进行rna随机编码，并对编码后的图像进行自身的循环rna异或运算；
9.统计运算结果中各碱基数量并作为初始值种子再次执行混沌映射，利用随机序列的下标实现滑动像素置乱，得到置乱图像；
10.采用rna编码规则对置乱图像进行rna随机解码，得到加密图像。
11.具体地，基于rna的图像加密方法包括以下步骤：
12.步骤s1：设输入的明文图像像素大小为m
×
n，其中m和n分别代表图像的宽和高；若m为奇数，则将像素行补0，使m为偶数；
13.步骤s2：将安全密钥x0、y0作为初始参数代入到二维logistics混沌映射公式(1)中：
[0014][0015]
迭代m+(m+n)/2次，丢弃前m项防止初始项的干扰，重新排列xn、yn得到二维logistic混沌序列：
[0016][0017][0018]
其中，m、x0、y0、μ1、μ2、γ1、γ2为安全密钥，0＜x0＜1，0＜y0＜1，2.75＜μ1＜＜3.40，
2.75＜μ2＜＜3.45，0.15＜γ1＜＜0.21，0.13＜γ2＜＜0.15；
[0019]
步骤s3：按照公式(4)生成rna编码规则：
[0020]
ruleindex＝mod(matrixlm，8)+1
ꢀꢀ
(4)
[0021]
步骤s4：按照rna编码规则ruleindex对明文图像进行rna随机编码；
[0022]
步骤s5：按照公式(5)产生随机计算规则：
[0023]
calruleindex＝mod(matrixtm，4)+1
ꢀꢀꢀ
(5)
[0024]
步骤s6：将经过rna随机编码的图像执行循环rna异或运算：
[0025]
若图像高度n为偶数，将经过rna随机编码的图像按左上、右上、左下、右下的位置关系分为大小相等的四个矩阵1、2、3和4，矩阵1与矩阵2经rna异或运算得到矩阵1
′
，矩阵2与矩阵3经rna异或运算得到矩阵2
′
，矩阵3与矩阵4经rna异或运算得到矩阵3
′
，矩阵4与矩阵1
′
经rna异或运算得到矩阵4
′
；最终得到矩阵
[0026]
若图像高度n为奇数，则将最中间一行经rna编码的图像像素对称分为左右两个矩阵5和矩阵6，矩阵5与矩阵6经rna异或运算得到矩阵5
′
，矩阵6与矩阵5
′
经rna异或运算得到矩阵6
′
，其余部分按左上、右上、左下、右下的位置关系分为大小相等的四个矩阵1、2、3和4，矩阵1与矩阵2经rna异或运算得到矩阵1
′
，矩阵2与矩阵3经rna异或运算得到矩阵2
′
，矩阵3与矩阵4经rna异或运算得到矩阵3
′
，矩阵4与矩阵1
′
经rna异或运算得到矩阵4
′
；最终得到矩阵
[0027]
步骤s7：分别统计矩阵p中腺嘌呤a、尿嘧啶u、胞嘧啶c、鸟嘌呤g的数量numa、numu、numc、numg，并按照公式(6)对碱基数量进行非线性归一化：
[0028][0029]
其中，函数arctan(x)返回元素x的反正切值，参数α为缩放因子。变量numa、numu、numc、numg的缩放因子分别为numg的缩放因子分别为各碱基数量经公式(6)归一化后得到nornuma、nornumu、nornumc、nornumg；
[0030]
步骤s8：以初始值再次执行二维logistic混沌映射，迭代m+(m+n)次，生成自适应的混沌序列adaptlm、adaptln；
[0031]
步骤s9：将自适应混沌序列adaptlm的前m个元素和后n个元素分别作为其元素的索引，对图像按照索引顺序进行行列滑动置乱，得到置乱图像；
[0032]
步骤s10：将置乱图像按rna编码规则ruleindex进行rna随机解码，得到加密图像。
[0033]
优选地，所述步骤s2中，二维logistics混沌映射公式(1)中，x00.1546995423653281，y0＝0.7697548524323463，μ1＝3.30，μ2＝3.00，γ1＝0.18，γ2＝0.14。
[0034]
所述rna编码规则为：
[0035]
规则1234567800aauuccgg01cgcgauau10gcgcuaua11uuaaggcc
[0036]
所述rna异或运算规则为：
[0037]
xoraucgaaucguuagcccgauggcua
[0038]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明采用二维logistic混沌映射以及rna编码规则、rna异或运算对明文图像进行加密，具备并行性高、功耗低、信息存储能力强等特点，能够保证图像传输的机密性，满足密码学安全需求。
附图说明
[0039]
图1为本发明的一种基于rna的图像加密方法的流程图；
[0040]
图2为彩色明文图像；
[0041]
图3为彩色明文图像对应的灰度直方图；
[0042]
图4为加密图像；
[0043]
图5为加密图像对应的灰度直方图；
[0044]
图6为解密图像；
[0045]
图7为解密图像对应的灰度直方图。
具体实施方式
[0046]
为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。
[0047]
首先，关于二维logistic混沌映射系统：
[0048]
二维logistic混沌映射的定义如下公式所示：
[0049]
x
n+1
＝μ1xn(1-xn)+γ1y
n2
[0050]yn+1
＝μ2yn(1-yn)+γ2(x
n2
+x
nyn
)
[0051]
当2.75＜μ1＜＜3.40，2.75＜μ2＜＜3.45，0.15＜γ1＜＜0.21，0.13＜γ2＜＜0.15时，二维logistic混沌映射系统表现出极强的混沌特性。该混沌系统初始值的范围为：0＜x0＜1，0＜y0＜1。将二维logistic混沌映射公式迭代t次，二维logistic混沌映射系统能产生2t个伪随机数。
[0052]
二维logistic混沌映射包含大量密码学特性，如分支图中周期窗较少、混沌行为参数范围较大、运算速度快等，常常作为密钥生成器被广泛运用于加密系统的设计当中。
[0053]
其次，关于rna编码：
[0054]
编码核糖核酸(ribonucleic acid)是由核糖核苷酸经磷酸二酯键缩合而成的长
链状分子，包括腺嘌呤(a)、尿嘧啶(u)、鸟嘌呤(g)和胞嘧啶(c)四个含氮碱基。其中，a和u、g和c分别是互补关系。
[0055]
根据碱基互补配对原理，rna编码共有8种组合方案，如表1所示：
[0056]
表1rna编码规则
[0057]
规则1234567800aauuccgg01cgcgauau10gcgcuaua11uuaaggcc
[0058]
rna计算是指以rna为信息载体，利用碱基互补配对规则建立一种完整的信息处理方式，并将编码的rna序列作为运算对象，通过分子生物学的运算操作解决复杂的数学难题。作为rna计算的一个重要组成部分，rna编码具备并行性高、功耗低、信息存储能力强等特点，满足密码学安全需求。
[0059]
在灰度图像中，每个像素点可以用8位二进制表示。在二进制中，0和1是互补的，所以00和11，01和10也是互补的。四个含氮碱基a、u、c和g中，每个碱基可被分成两个表示位，因此，根据rna编码规则，灰度图像中的每个像素可以转换成一个四位rna序列。
[0060]
基于此，在图像加密领域，对于8位二进制灰度图像，每个像素可以编码为4基序列。例如，一个像素灰度值为135，二进制序列表示为10000111，按照表1的rna编码规则，可以得到8种不同的编码方式：gacu，cagu，guca，cuga，ucag，acug，ugac和aguc。当加密系统采用某一rna编码规则对像素值进行编码，同时利用不同的rna编码规则对其进行解码，该像素值能被有效的加密。例如，加密系统对像素灰度值135按rna编码规则1进行编码得到gacu，并采用rna编码规则2对其进行解码，得到二进制序列01001011，对应的密文为75，明文信息的机密性得到了有效保障。
[0061]
rna异或运算规则如表2所示：
[0062]
表2rna异或运算规则
[0063]
xoraucgaaucguuagcccgauggcua
[0064]
rna或非运算规则如表3
[0065]
表3rna运算规则
[0066]
xnoraucgauagcuaucgcgcuagcgau
[0067]
rna加法运算规则如表4所示：
[0068]
表4rna加法运算规则
[0069][0070][0071]
rna减法运算规则如表5所示：
[0072]
表5rna减法运算规则
[0073]
delaucgaacuguuagcccgaugguca
[0074]
另外，在与自身图像的编码结果进行rna异或运算后，明文图像的编码信息能被有效隐藏。例如，对于部分明文图像的编码信息gacu，在与另一部分相邻图像的编码结果acgu进行rna异或运算后得到gcua。在解密过程中，根据运算结果gcua与逆相邻图像的编码结果acgu进行相同的rna异或运算，得到的结果gacu即为明文图像的编码信息，从而完成了rna异或运算的逆运算，实现图像的解密操作。
[0075]
结合上述内容，请参见图1，图1为本发明的一种基于rna的图像加密方法的流程图；本发明的一种基于rna的图像加密方法，总体包括以下步骤：
[0076]
利用二维logistic混沌映射生成rna编码规则；
[0077]
依照rna编码规则对明文图像进行rna随机编码，并对编码后的图像进行自身的循环rna异或运算；
[0078]
统计运算结果中各碱基数量并作为初始值种子再次执行混沌映射，利用随机序列的下标实现滑动像素置乱，得到置乱图像；
[0079]
采用rna编码规则对置乱图像进行rna随机解码，得到加密图像。
[0080]
具体地，基于rna的图像加密方法包括以下步骤：
[0081]
步骤s1：设输入的明文图像像素大小为m
×
n，其中m和n分别代表图像的宽和高；若m为奇数，则将像素行补0，使m为偶数；
[0082]
步骤s2：将安全密钥x0、y0作为初始参数代入到二维logistics混沌映射公式(1)中：
[0083][0084]
迭代m+(m+n)/2次，丢弃前m项防止初始项的干扰，重新排列xn、yn得到二维logistic混沌序列：
[0085]
[0086][0087]
其中，m、x0、y0、μ1、μ2、γ1、γ2为安全密钥，0＜x0＜1，0＜y0＜1，2.75＜μ1＜＜3.40，2.75＜μ2＜＜3.45，0.15＜γ1＜＜0.21，0.13＜γ2＜＜0.15；
[0088]
步骤s3：按照公式(4)生成rna编码规则：
[0089]
ruleindex＝mod(matrixlm，8)+1
ꢀꢀ
(4)
[0090]
步骤s4：按照rna编码规则ruleindex对明文图像进行rna随机编码；
[0091]
步骤s5：按照公式(5)产生随机计算规则：
[0092]
calruleindex＝mod(matrixtm，4)+1
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0093]
步骤s6：将经过rna随机编码的图像执行循环rna异或运算：
[0094]
若图像高度n为偶数，将经过rna随机编码的图像按左上、右上、左下、右下的位置关系分为大小相等的四个矩阵1、2、3和4，矩阵1与矩阵2经rna异或运算得到矩阵1
′
，矩阵2与矩阵3经rna异或运算得到矩阵2
′
，矩阵3与矩阵4经rna异或运算得到矩阵3
′
，矩阵4与矩阵1
′
经rna异或运算得到矩阵4
′
；最终得到矩阵
[0095]
若图像高度n为奇数，则将最中间一行经rna编码的图像像素对称分为左右两个矩阵5和矩阵6，矩阵5与矩阵6经rna异或运算得到矩阵5
′
，矩阵6与矩阵5
′
经rna异或运算得到矩阵6
′
，其余部分按左上、右上、左下、右下的位置关系分为大小相等的四个矩阵1、2、3和4，矩阵1与矩阵2经rna异或运算得到矩阵1
′
，矩阵2与矩阵3经rna异或运算得到矩阵2
′
，矩阵3与矩阵4经rna异或运算得到矩阵3
′
，矩阵4与矩阵1
′
经rna异或运算得到矩阵4
′
；最终得到矩阵
[0096]
步骤s7：分别统计矩阵p中腺嘌呤a、尿嘧啶u、胞嘧啶c、鸟嘌呤g的数量numa、numu、numc、numg，并按照公式(6)对碱基数量进行非线性归一化：
[0097][0098]
其中，函数arctan(x)返回元素x的反正切值，参数α为缩放因子。变量numa、numu、numc、numg的缩放因子分别为numg的缩放因子分别为各碱基数量经公式(6)归一化后得到nornuma、nornumu、nornumc、nornumg；此步骤中，每个变量的缩放因子由安全密钥产生，从而进一步提高加密算法的密钥敏感度；
[0099]
步骤s8：以初始值再次执行二维logistic混沌映射，迭代m+(m+n)次，生成自适应的混沌序列adaptlm、adaptln；
[0100]
步骤s9：将自适应混沌序列adaptlm的前m个元素和后n个元素分别作为其元素的索引，对图像按照索引顺序进行行列滑动置乱，得到置乱图像；此步骤中，图像像素的行列滑动置乱为图像像素的横向右移以及纵向下移；
[0101]
步骤s10：将置乱图像按rna编码规则ruleindex进行rna随机解码，得到加密图像。
[0102]
本发明的基于rna的图像加密算法中，安全密钥有7个，分别为m，x0，y0，μ1，μ2，γ1，γ2，此算法具有足够大的密钥空间来抵抗穷举攻击。
[0103]
上述图像加密方法对应的解密算法为加密过程的逆过程，在此不再赘述。
[0104]
请结合参见图2至图7，本发明设置二维logistic混沌映射系统参数μ1＝3.30，μ2＝3.00，γ1＝0.18，γ2＝0.14，并以初始值x0＝0.1546995423653281，y0＝0.7697548524323463作为安全密钥进行仿真实验，输入图2所示的彩色明文图像，利用上述图像加密方法对其进行加密，得到图4所示的加密图像，采用图像加密方法的逆过程进行图像解密，得到图6所示的解密图像，明文图像、加密图像、解密图像对应的灰度直方图分别为图3、图5、图7所示。
[0105]
明文图像中，像素分布不均匀，(0，25)范围内基本无像素分布，在(25，225)范围内，像素大体分布在左侧，且像素分布总体呈下降趋势；加密图像中，像素在(0，255)范围内较均匀分布，且通过人眼无法辨别原始图像的信息。可见，采用本发明的基于rna的图像加密方法进行图像加密，能够有效隐藏图像中的有效信息，保证图片传输的安全性和完整性。
[0106]
本发明采用二维logistic混沌映射以及rna编码规则、rna异或运算对明文图像进行加密，具备并行性高、功耗低、信息存储能力强等特点，能够保证图像传输的机密性，满足密码学安全需求。
[0107]
本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。