一种基于超混沌系统和DNA加密的人脸加密方法与流程

本发明涉及计算机视觉和数据加密，具体为一种基于超混沌系统和dna加密的人脸加密方法。

背景技术：

1、目前，人脸识别技术已经相对成熟，在门禁、安保、支付等领域有广泛的应用。在人脸识别技术中最重要的数据信息就是人脸图像，在物联网移动终端(例如智能手机、监控设备等)的场景中，数字人脸图像包含了大量的隐私信息，而移动终端在开放的环境下容易遭受窃取或丢失，从而使得人脸图像面临严峻的隐私泄露的风险，如何保障人脸图像信息不被泄露一直是人脸识别应用需要面对的问题。

2、长期以来，由于缺少相应的法律法规，信息泄露信息盗用的情况时有发生，人脸识别系统的安全性一直备受关注，这一情况将在法律出台后逐渐改善。2021年11月1日《中华人民共和国个人信息保护法》正式施行后，所有未经同意使用个人信息数据的技术应用都有违法的风险，其中人脸识别系统需要使用的人脸信息是最需要保护的数据之一。因此，对现有的人脸识别系统更新人脸加密手段非常有必要。

3、现阶段有许多成熟的数字加密方案，例如以aes为代表的国际加密标准和以sm2为代表的国内自主设计的国密算法，能够有效保障数据的机密性。然而，由于图像的二维性、冗余性和相邻像素高的相关性，传统的加密技术无法为图像提供安全高效的保障。本发明结合超混沌系统加密和dna加密方式，将加密算法专门应用于人脸图像，旨在填补人脸图像加密这一技术领域的空缺。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明为了解决这个问题，提供一种基于超混沌系统和dna加密的人脸加密方法，该方法能够快速地对人脸图像进行加密遮挡，而对背景图像不做处理，有良好的视觉效果，从而保证了图像或视频中人脸信息不被泄露，提高了显示、传输和存储过程中人脸信息的安全性，在必要时也能根据密钥对人脸图像进行解密，更适用于实际场景。

3、(二)技术方案

4、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于超混沌系统和dna加密的人脸加密方法，所述人脸加密算法包括以下步骤：

5、s1、对输入的明文图像做人脸检测，截取其中人脸明文图像；

6、s2、对人脸明文图像进行加密，得到人脸密文图像；

7、s3、将人脸密文图像替换到输入的明文图像中的对应位置，得到输出的显示图像。

8、优选的，所述s1中对输入的明文图像做人脸检测，截取其中人脸明文图像，具体包括：使用人脸检测算法如mtcnn等方法，对输入的明文图像进行人脸检测，获得人脸框坐标，并进一步利用人脸框坐标，获得人脸明文图像。

9、优选的，所述s2中对人脸明文图像进行加密，得到人脸密文图像，具体包括：

10、s201、根据密钥，利用超混沌系统生成无周期的初始混沌序列；

11、s202、将初始混沌序列转换为适于图像加密的混沌序列；

12、s203、将混沌序列编码成混沌dna矩阵；

13、s204、对人脸明文图像做rgba四通道分解，对每个分量做dna编码，得到图像dna矩阵；

14、s205、将图像dna矩阵和混沌dna矩阵进行dna异或运算，得到加密dna矩阵；

15、s26、对加密dna矩阵进行解码，获得加密的rgba四通道像素值，然后重组形成人脸密文图像。

16、优选的，所述s201中根据密钥，利用超混沌系统生成无周期的初始混沌序列，具体包括：使用的混沌系统是超混沌chen系统，超混沌chen系统的无量纲动力学方程式描述如下：

17、

18、其中是系统的状态变量，是系统的控制参数，是的一阶导数，当时，系统有两个正的李雅普诺夫指数，分别为，系统呈现超混沌状态，将密钥转换为四个状态变量的初始值输入该系统，就会随时间演化规律产生四个随机的无周期序列，这里称作无周期的初始混沌序列。

19、优选的，所述s202中将初始混沌序列转换为适于图像加密的混沌序列，具体包括：假设系统生成的初始混沌序列表示为：

20、{x(0)j(i):i＝1,2,…,n0+l/4；j＝1,2,3,4}

21、{xj(i)}包括4个长度为(n0+l/4)的实数序列，其中l为待加密图像的像素总数，l/4为待加密图像一通道的像素总数，n0为超混沌系统的预迭代次数，为了消除混沌序列暂态过程带来的有害效应，以便增强序列对初始条件的敏感性，去掉原始混沌序列的前n0个值,得到4个长度分别为l/4的子序列：

22、

23、再按照下式对序列{xj(i)}进行改进，得到改进序列{yj(i)}：

24、

25、其中，max(xj(1))和min(xj(1))分别是序列{xj(1)(i)}的最大值、最小值，j＝1,2,3,4

26、然后对改进序列{yj(i)}进行二次改进，得到4个适用于图像加密的混沌序列{zj(i)}：

27、

28、i＝1,2,…,l/4；j＝1,2,3,4

29、其中|x|取x的绝对值；floor(x)取小于或等于x的最大整数；mod(x,y)表示x对y取模的运算，m为正整数，在本文中取m＝4，这四个混沌序列将分别用于对图像rgba四通道信息的加密。

30、优选的，所述s203中将混沌序列编码成混沌dna矩阵，具体包括：将四个混沌序列{zj(i),i＝1,2,…,l/4,j＝1,2,3,4}的结构用二进制进行表示，获得二进制化的混沌序列；然后，对每个二进制化混沌序列，以每两位二进制数按同一套编码规则编成一个dna码，进而可以得到四个混沌dna序列；

31、假设人脸图像的宽高为w,h，则有w*h＝l/4，将四个长度为l/4的混沌dna序列转换为四个w*h的混沌dna矩阵，记为{sj,j＝1,2,3,4}。

32、优选的，所述s204中对人脸明文图像做rgba四通道分解，对每个分量做dna编码，得到图像dna矩阵，具体包括：对输入的人脸图像做rgba四通道分解，得到四个w*h的像素值矩阵，将矩阵中每个像素值用二进制表示，再编码成dna码，得到四个图像dna矩阵，记为{ij,j＝1,2,3,4}。

33、优选的，所述s205中将图像dna矩阵和混沌dna矩阵做dna异或运算，得到加密dna矩阵，具体包括：将四个图像dna矩阵{ij,j＝1,2,3,4}分别与四个混沌dna矩阵{sj,j＝1,2,3,4}，按位做dna异或运算，得到四个加密dna矩阵，记为矩阵{ej,j＝1,2,3,4}；

34、因为一个dna码对另一个dna码做两次dna异或运算会得到它本身，所以解密方式为用混沌dna矩阵与加密dna矩阵做异或运算。

35、优选的，所述s206中对加密dna矩阵进行解码，获得加密的rgba四通道像素值，然后重组形成人脸密文图像，具体包括：将加密dna矩阵{ej,j＝1,2,3,4}中每一位dna码解码成两位二进制数，再转换为十进制数，将其作为像素值。这样，将四个加密dna矩阵解码得到rgba四通道的像素值，再组合就形成了人脸密文图像。

36、优选的，所述s3中将人脸密文图像替换到输入的明文图像中的对应位置，得到输出的显示图像，具体包括：根据人脸框的坐标，将人脸密文图像替换掉原明文图像中的人脸区域，实现人脸加密，得到输出的显示图像。

37、(三)有益效果

38、与现有技术相比，本发明提供了一种基于超混沌系统和dna加密的人脸加密方法，具备以下有益效果：本发明的目的在于填补现有技术领域的空缺，提供一种基于超混沌系统和dna加密的人脸加密方法，该方法能够快速地对人脸图像进行加密遮挡，而对背景图像不做处理，有良好的视觉效果，从而保证了图像或视频中人脸信息不被泄露，提高了显示、传输和存储过程中人脸信息的安全性，在必要时也能根据密钥对人脸图像进行解密，更适用于实际场景。