一种基于灰度图像与延迟混沌的DNA码元跨层置乱方法

本发明涉及生物技术的编解码及信息安全领域，尤其是涉及一种基于灰度图像与延迟混沌的dna码元跨层置乱方法。

背景技术：

1、公知的，dna依靠高存储性、稳定性和低成本维护性，正在成为在计算机上应用的新型信息存储工具；计算机的基本信息0,1编码，可以很好地诠释dna的信息，因此，dna的四种碱基(atcg)在计算机信息领域开始大展拳脚；如公告号为cn116055024a的中国发明专利，就公开了一种基于dna序列和混沌系统的多图多感兴趣区域加密方法，就是应用dna计算规则和dna编码规则进行计算和解码，来参与解决现有图像加密的安全性的问题；

2、目前，dna编解码通常是按a是00，g是01，c是10，t是11，这四种计算机语言，这极大的限制了更多信息的表达；同时，在应用方面，dna序列的某些生物学操作和代数运算又限制了其更广阔的应用，即加法、减法、异或等，这对信息安全的影响非常的巨大，存在很大的安全隐患；因此有必要对dna序列的代数运算进行补充和扩展，从而满足图像信息的混淆要求，为图像加密的混淆框架提供新方法。

技术实现思路

1、为了克服背景技术中的不足，解决现有的技术问题，本发明公开了一种基于灰度图像与延迟混沌的dna码元跨层置乱方法，能够丰富dna序列的代数运算方法，解决图像加密时置乱方法限制问题。

2、为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于灰度图像与延迟混沌的dna码元跨层置乱方法，包含以下步骤：s1、定义一幅大小为m×n灰度图像矩阵p为r层，将r层的像素按指定的dna编码规则编码，得到像素r层的dna码元；s2、将r层的dna码元按照前后顺序分成4个dna码元矩阵，并依次分别定义为b、j、o、g层；s3、利用灰度图像p的信息熵和相关系数作为延迟混沌的初值，生成用于跨层操作的4个排序的混沌矩阵bb、jj、oo、gg；s4、根据排序的混沌矩阵将b、j、o、g层进行跨层操作，得到4个dna码元的新矩阵，即层b1、j1、o1、g1；s5、将dna码元的b1、j1、o1、g1层依序合并后，按指定的dna编码规则解码，得到置乱矩阵。

4、进一步，在s1中，需要先读取一幅大小为m×n的灰度图像，得到图像像素矩阵p，将其定义为r层；然后任选8种dna编码规则中的一种作为指定规则，将r层矩阵进行dna编码，得到每个像素由四个dna码元组成的m×n×4的像素矩阵p1，也即r层的dna码元。

5、进一步，在s3中，延迟混沌系统，以chen系统为例的数学模型为式(1)：

6、

7、式中，a，b，c是三个参数，x，y，z是状态变量，k是线性反馈增益，τ是延迟时间，且τ>0；k＝0时系统稳定；

8、计算灰度图像p的信息熵ie和水平corr_h、垂直corr_v、对角corr_d三个方向的相关系数，计算通过式(2)：

9、

10、

11、式中，l为符号l的总数，pr(l)为符号l出现的概率；i和j分别为图像中相邻两个像素的值，μi和μj分别为i和j的均值，σi和σj分别为i和j的标准差，e[·]为均值；

12、利用式(3)计算得到延迟混沌系统的三个初始值(x0,y0,z0)，并选取合适的系统参数a，b，c，k，τ，及系统的延迟初始条件z(t)＝0，﹣τ≤t＜0，使系统进入到混沌态；

13、

14、

15、

16、式中，(x01,y01,z01)为人为给定的驱动值；

17、延迟混沌系统演化一段时间t，选取状态序列z的最后m*4n个值，形成序列z；对序列z使用式(4)做随机化处理得到序列z1；

18、z1(t)＝10 q·z(t)-round(10 q·z(t))             (4)

19、式中，z1表示序列z对应的随机序列，q为小数部分的后移位数(q＝7)，round(·)为四舍五入函数；

20、选取序列z1最后的m*n个值形成序列s1，利用算法1，即公式(5)进行矩阵化并将矩阵元素排序，得到矩阵bb；其他三个矩阵是将剩余的z1序列三等分后进行类似操作，得到矩阵jj、oo、gg；

21、s11＝reshape(s1,m,n,1)                        (5)

22、[～,bb]＝sort(s11,3)

23、式中，reshape(s1,m,n,1)表示将序列s1重排为一个m×n大小的矩阵，矩阵的总元素不变；sort表示对矩阵行和列进行排序的函数。

24、进一步，在s4中，根据排序混沌矩阵bb、jj、oo、gg相应位置的元素bbij，jjij，ooij，ggij的数值，将b、j、o、g层相同位置(i,j)对应的dna码元移到四个层对应位置，即跨层操作，得到4个dna码元的新层b1、j1、o1、g1。

25、进一步，在s5中，将四个层的dna码元矩阵依据层b1、j1、o1、g1在相同位置合在一起，即得到一个由四个dna码元组成的新的r层矩阵；按指定的dna编码规则解码，对新的r层矩阵进行解码，得到的解码矩阵，即为置乱矩阵。

26、由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下有益效果：

27、本发明公开的基于灰度图像与延迟混沌的dna码元跨层置乱方法，能够依据图像信息矩阵定义r层，将图像矩阵元素进行dna编码分层，这对dna编码法则的扩展起到了一个很好的应用尝试；将图像信息熵和相关系数作为延迟混沌系统的初始值，这可建立图像和混沌系统的关系，在信息安全上可有效抵抗一些非法攻击；利用混沌序列产生排序混沌矩阵，对四个dna码元层矩阵元素跨层操作，这对dna码元的位置置乱非常有效，对dna序列的代数运算起到补充和扩展作用；本发明所提供dna序列的代数运算，可满足图像信息的混淆，为图像加密的混淆框架提供新方法。

技术特征：

1.一种基于灰度图像与延迟混沌的dna码元跨层置乱方法，其特征是：包含以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于灰度图像与延迟混沌的dna码元跨层置乱方法，其特征是：在s1中，需要先读取一幅大小为m×n的灰度图像，得到图像像素矩阵p，将其定义为r层；然后任选8种dna编码规则中的一种作为指定规则，将r层矩阵进行dna编码，得到每个像素由四个dna码元组成的m×n×4的像素矩阵p1，也即r层的dna码元。

3.根据权利要求1所述的基于灰度图像与延迟混沌的dna码元跨层置乱方法，其特征是：在s3中，延迟混沌系统，以chen系统为例的数学模型为式(1)：

4.根据权利要求1所述的基于灰度图像与延迟混沌的dna码元跨层置乱方法，其特征是：在s4中，根据排序混沌矩阵bb、jj、oo、gg相应位置的元素bbij，jjij，ooij，ggij的数值，将b、j、o、g层相同位置(i,j)对应的dna码元移到四个层对应位置，即跨层操作，得到4个dna码元的新层b1、j1、o1、g1。

5.根据权利要求1所述的基于灰度图像与延迟混沌的dna码元跨层置乱方法，其特征是：在s5中，将四个层的dna码元矩阵依据层b1、j1、o1、g1在相同位置合在一起，即得到一个由四个dna码元组成的新的r层矩阵；按指定的dna编码规则解码，对新的r层矩阵进行解码，得到的解码矩阵，即为置乱矩阵。

技术总结
涉及生物技术的编解码及信息安全领域的一种基于灰度图像与延迟混沌的DNA码元跨层置乱方法，包含以下步骤：S1、定义图像矩阵P为R层，将R层的像素按指定的DNA编码规则编码，得到像素R层的DNA码元；S2、将R层的DNA码元按照前后顺序分为4层，分别定义为B、J、O、G层；S3、利用灰度图像P的信息熵和相关系数作为延迟混沌的初值，生成混沌矩阵BB、JJ、OO、GG；S4、根据混沌矩阵将B、J、O、G层进行跨层操作，得到4个DNA码元的新矩阵，即层B1、J1、O1、G1；S5、将DNA码元的B1、J1、O1、G1层依序合并后，按指定的DNA编码规则解码，得到置乱矩阵；该置乱方法能够丰富DNA序列的代数运算方法，解决图像加密时置乱方法限制问题。

技术研发人员：赵朝锋,翟志波,尹承伟,曾波,张永新,匡春临,李云吉,赵鹏
受保护的技术使用者：洛阳师范学院
技术研发日：
技术公布日：2024/2/6