1、 收 稿 日 期:基 金 项 目:吉 林 省 科 技 厅 重 点 攻 关 项 目(G X);吉 林 省 教 育 厅 基 金 资 助 项 目(J K H K J);长 春 市 科 技 局 重 大 专项(G D)作 者 简 介:郭 昕 刚(),男,汉 族,吉 林 长 春 人,长 春 工 业 大 学 教 授,硕 士,主 要 从 事 嵌 入 式、人 工 智 能、数 字 图 像 处 理 方 向 研 究,E m a i l:q q c o m 通 信 作 者:范 国 咪(),女,汉 族,陕 西 安 康 人,长 春 工 业 大 学 硕 士 研 究 生,主 要 从 事 图像 加 密 方 向 研 究,E m a
2、 i l:q q c o m 第 卷 第期 长 春 工 业 大 学 学 报 V o l N o 年 月 J o u r n a l o f C h a n g c h u n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y A p r D O I:/j c n k i c n/t 基 于 混 沌 映 射 和D N A序 列 运 算 的数 字 图 像 加 密 算 法郭 昕 刚,范 国 咪(长 春 工 业 大 学 计 算 机 科 学 与 工 程 学 院,吉 林 长 春)摘要:提 出 一 种 混 沌 映 射 和D N A序 列 运 算 相 结 合 的 图 像
3、加 密 算 法.该 体 系 结 构 包 括 置 乱和 扩 散 两 部 分,置 乱 过 程 将 锯 齿 形 混 淆 算 法 和 约 瑟 夫 环 置 乱 相 结 合 提 出 一 个 变 步 长 分 块 置 乱的 方 法;扩 散 过 程 将 置 乱 后 的 红、绿、蓝 分 量 转 换 为 三 个D N A矩 阵,引 入D N A计 算 来 扩 散 三个D N A矩 阵.将 混 沌 系 统 与 哈 希 函 数S H A 相 结 合,使 得D N A编 码 和 混 沌 序 列 的 产 生都 依 赖 于 明 文 信 息.因 此,算 法 对 明 文 图 像 有 很 高 的 敏 感 性.采 用 的L e n
4、a彩 色图 像 进 行 测 试,L e n a密 文 图 像 相 邻 像 素 的 相 关 系 数 接 近 于,信 息 熵 达 到.实 验 结 果和 安 全 性 分 析 表 明,算 法 具 有 良 好 的 加 密 效 果 和 可 靠 的 安 全 性 能.关 键 词:彩 色 图 像 加 密;混 沌 系 统;D N A;锯 齿 形 混 淆 算 法;哈 希 算 法中 图 分 类 号:T P 文 献 标 志 码:A 文 章 编 号:()D igi t a l i m age e n c ry pt i o n a lgo r i t h m b a s e d o n c h a o t i c m a
5、pa n dD N A s equ e n c e ope r a t i o nG U O X i n g a n g,F A N G u o m i(S c h o o l o f C o m p u t e r S c i e n c e&E n g i n e e r i n g,C h a n g c h u n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,C h a n g c h u n,C h i n a)A b s t r a c t:T o s o l v e t h i s p r o b l e m,a n i m a g e
6、 e n c r y p t i o n a l g o r i t h m c o m b i n i n g c h a o t i c m a p p i n g a n d D N As e q u e n c e o p e r a t i o n i s p r o p o s e d T h e a r c h i t e c t u r e i n c l u d e s t w o p a r t s:s c r a m b l i n g a n d d i f f u s i o n,a n dt h e s c r a m b l i n g p r o c e s s
7、 c o m b i n e s t h e z i g z a g o b f u s c a t i o n a l g o r i t h m a n d J o s e p h s r i n g s c r a m b l i n g t op r o p o s e a v a r i a b l e s t e p s i z e b l o c k s c r a m b l i n g m e t h o d T h e d i f f u s i o n p r o c e s s c o n v e r t s t h e s c r a m b l e dr e d,g
8、 r e e n,a n d b l u e c o m p o n e n t s i n t o t h r e e D N A m a t r i c e s,a n d i n t r o d u c e s D N A c a l c u l a t i o n s t od i f f u s e t h e t h r e e D N A m a t r i c e s C o m b i n i n g c h a o t i c s y s t e m s w i t h t h e h a s h f u n c t i o n S H A m a k e sb o t h
9、 D N A c o d i n g a n d c h a o t i c s e q u e n c e g e n e r a t i o n d e p e n d e n t o n p l a i n t e x t i n f o r m a t i o n T h e r e f o r e,t h ea l g o r i t h m h a s a h i g h s e n s i t i v i t y t o p l a i n t e x t i m a g e s T h e L e n a c o l o r i m a g e o f w a s u s e
10、df o r t e s t i n g,a n d t h e c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t o f n e i g h b o r i n g p i x e l s o f t h e L e n a c i p h e r t e x t i m a g e w a s c l o s et o,a n d t h e i n f o r m a t i o n e n t r o p y r e a c h e d E x p e r i m e n t a l r e s u l t s a n d s e c u r i
11、t y a n a l y s i s s h o wt h a t t h e a l g o r i t h m h a s g o o d e n c r y p t i o n e f f e c t a n d r e l i a b l e s e c u r i t y p e r f o r m a n c e K e y w o r d s:c o l o r i m a g e e n c r y p t i o n;c h a o t i c s y s t e m;D N A;i g Z a g c o n f u s i o n a l g o r i t h m;h
12、 a s ha l g o r i t h m 引言 随 着 计 算 机 和 网 络 技 术 的 飞 速 发 展,网 络 媒体 的 开 放 性 和 共 享 性 给 通 信 传 输 中 图 像 的 安 全 性带 来 巨 大 的 隐 患.图 像 加 密 技 术 对 保 护 信 息 至 关重 要.混 沌 系 统 因 其 伪 随 机 性、无 周 期 性 和 对 初始 值 的 高 度 敏 感 性 等 优 良 的 密 码 特 性 被 广 泛 应 用于 数 字 图 像 加 密.近 年 来,涌 现 了 大 量 基 于 混 沌系 统 的 加 密 算 法.数 字 图 像 加 密 系 统 常 用 的混 沌 系 统
13、包 括L o g i s t i c映 射、T e n t映 射、分段 线 性 映 射、H e n o n映 射,以 及 超 混 沌 系 统中L o r e n z系 统,和C h e n系 统 等.高 维系 统 有 更 多 初 值 和 控 制 参 数,算 法 的 密 钥 空 间 更大,选 择 超 混 沌C h e n系 统 来 生 成 伪 随 机 序 列.为 了 获 得 更 好 的 加 密 效 果,通 常 将 加 密 分 为两 个 阶 段:置 乱 和 扩 散.常 见 的 置 乱 算 法 有A r n o l d变 换,F i s h e r Y a t e s算 法,Z i g z a g置
14、 乱,约 瑟 夫 置 乱 等.这 类 置 乱 方 法 尽管 置 乱 效 果 不 错,但 大 都 具 有 一 定 规 律,A r n o l d变 换 具 有 周 期 性,经 过 一 定 数 量 的 迭 代 后 可 以 恢复 出 明 文 图 像.本 算 法 将 类Z i g z a g置 乱 和 约 瑟夫 环 相 结 合,大 大 降 低 了 相 邻 像 素 的 相 关 性,得 到良 好 的 置 乱 效 果.脱 氧 核 糖 核 酸(D N A)具 有 优 良 的 特 性,近 年来 提 出 大 量 基 于D N A序 列 操 作 的 图 像 加 密 算法,.L i u Q等 将 双 混 沌 系 统
15、与D N A计 算 结 合 起 来 对 彩 色 图 像 进 行 加 密,该 算 法可 以 抵 御 各 种 攻 击,但 计 算 速 度 并 不 令 人 满 意.G u e s m i R等 介 绍 了 一 种 基 于D N A掩 码、哈 希算 法(S H A)和L o r e n z系 统 混 合 模 型 的 新 型图 像 加 密 方 法.该 算 法 对 已 知 明 文 攻 击 和 选 择 明文 攻 击 表 现 出 差 的 鲁 棒 性,这 是 由 确 定 的 编 码 和解 码 规 则 造 成 的.基 于 此,本 算 法 引 入 动 态 参 数,依 靠 明 文 图 像 来 选 择D N A编 码
16、规 则.基 本 理 论 C h e n超 混 沌 系 统 文 中 采 用C h e n混 沌 系 统,数 学 表 达 式 为x(y x),y()x x z y,z x y z.()当 系 统 参 数,时,系 统 处 于 混 沌 状 态,当 系 统 参 数,时,混 沌 特 性 最 好.C h e n超 混 沌 系 统 如 图所 示.图 中,x,y和z是 状 态 变 量,而,和是 变态 常 量.D N A编 码 及 运 算 D N A编 码 和 解 码 规 则 D N A由A(腺 嘌 呤)、C(胞 嘧 啶)、G(鸟 嘌 呤)和T(胸 腺 嘧 啶)四 种 基 本 核 酸 组 成.A和T互 为补 码,
17、C和G互 为 补 码.在 二 进 制 系 统 中,和也 是 互 为 补 码.因 此,利 用 四 个 二 进 制 数(即、)对 四 种 基 本 核 酸(即A、C、G、T)进 行编 码,共 有 种 编 码 组 合.其 中 只 有条 编 码 规则 是 有 效 的,有 效 的 编 码 规 则 见 表.表 D N A编/解 码 规 则规 则 A A T T C C G G T T A A G G C C C G C G A T A T G C G C T A T A D N A运 算 一 种 编 码 规 则 对 应 一 种 加 减 异 或 运 算.文 中采 用 编 码 规 则进 行D N A加 法 运
18、算、D N A减 法运 算 和D N A异 或 运 算.运 算 规 则 分 别 见 表 表.表 D N A加 法 运 算 A G C TA C T G AG T C A GC G A T CT A G C T 第期 郭 昕 刚,等:基 于 混 沌 映 射 和D N A序 列 运 算 的 数 字 图 像 加 密 算 法图 C h e n超 混 沌 系 统表 D N A减 法 运 算 A G C TA T C G AG C T A GC A G T CT G A C T表 D N A异 或 运 算 A G C TA T C G AG C T A GC G A T CT A G C T 约 瑟 夫
19、环 约 瑟 夫 环 问 题 是 一 个 遍 历 问 题,描 述 如 下:已知m个 元 素,将 这m元 素 排 列 成 一 个 圆 圈.通过 删 除 第n个 元 素 重 复 循 环 圆 圈,并 从 第n 个 元 素 开 始 重 新 计 数,重 复 执 行 这 些 操 作,直 到 选择 完 最 后 一 个 元 素.约 瑟 夫 环 问 题 表 示 为 函 数f(m,n).m表 示 总 的 元 素 数,n为 约 瑟 夫 距 离,表 示 删 除 第n个 元 素.本 算 法 基 于 上 述 函 数 展 开 研 究,将 约 瑟 夫 问题 与 混 沌 系 统 相 结 合,提 出 一 个 变 步 长 约 瑟 夫
20、 斯问 题.并 将 参 数n扩 展 为 伪 随 机 序 列.由 于 序列 中 的 元 素 具 有 伪 随 机 性,因 此,它 们 可 以 无 限 扩展,从 而 大 大 增 加 约 瑟 夫 斯 问 题 的 解.哈 希 函 数 哈 希 函 数 可 以 将 不 同 长 度 的 信 息 转 换 成 固 定长 度 的 哈 希 值.常 见 的 哈 希 函 数M D,S H A,对 初 值 的 高 度 敏 感 性 常 将 其 和 混 沌系 统 相 结 合 应 用 于 密 码 学,从 而 抵 御 已 知 明 文 攻击 和 选 择 明 文 攻 击.文 中 选 用 哈 希S H A 函数 作 为 系 统 密 钥
21、之 一.算 法 描 述 密 钥 和 混 沌 系 统 初 值 的 生 成 为 了 增 强 加 密 算 法 与 普 通 图 像 之 间 的 关 系,选 择 用 安 全 哈 希 算 法(S H A)作 为 加 密 算 法 的密 钥 来 控 制C h e n超 混 沌 系 统 的 初 值 和 参 数.将S H A 哈 希 算 法 得 到 的 位 二 进 制 序 列 作为 加 密 算 法 的 密 钥 之 一.用 于 加 密 超 混 沌 系 统 的四 个 初 始 值.为 了 得 到 这 些 初 始 值,将 序 列K分为 个 等 长 的位 块 序 列,分 别 为k,k,k,k,其 中K k,k,k,k,k
22、i k i,k i,k i,k i.()然 后 通 过 下 式 计 算 出 超 混 沌 系 统 的 初 始 值 为 长 春 工 业 大 学 学 报 第 卷x m o dk k i k i,y m o dk k i k i,z m o dk k i k i,()式 中:x y x和y进 行 异 或 操 作;m o d(x,y)x除 以y的 余 数.同 时 编 码 规 则 也 由 其 控 制.此 算 法 对 明 文 图像 具 有 很 高 的 灵 敏 性,可 以 有 效 抵 抗 已 知 明 文 攻击 和 选 择 明 文 攻 击.具 体 的 加 密 算 法 流 程 具 体 的 加 密 步 骤 如 下:
23、)读 取 彩 色 明 文 图 像P,将 大 小 为M N的明 文 图 像 的 红 色、绿 色 和 蓝 色 分 量 进 行 分 离,并 分别 表 示 为R、G、B.)根 据 原 始 图 像S H A 哈 希 值 计 算 外 部密 钥K,得 到 混 沌 系 统 的 初 始 值.将 初 始 值 代 入混 沌 系 统 进 行 迭 代,迭 代n M N次,每 次 迭 代用 龙 格库 塔 法 得 到 控 制 变 量x i,y i和z i,从 而 得到 三 个 伪 随 机 序 列X、Y和Z.为 了 消 除 瞬 时 效应 丢 弃 前n 次 迭 代 的 值,就 可 以 得 到 长 度 为M N的 混 沌 序 列
24、,X x,x,x M N,Y y,y,y M N,Z z,z,z M N.()对 它 们 行 修 改,得 到 序 列 X m o d(f l o o r(a b s(X)f l o o r(a b s(X),N),Y m o d(f l o o r(a b s(Y)f l o o r(a b s(Y),),Z m o d(f l o o r(a b s(Z)f l o o r(a b s(Z),),()式 中:f l o o r(x)小 于 或 等 于x的 最 近 的 整 数a b s(x)是x的 绝 对 值.根 据 列 优 先 级 将Y 和Z 变 换 为 大 小 为M N的 矩 阵W 和W.
25、)将R、G 和B 矩 阵 元 素 按Z字 顺 序 扫描 后 得 到 矩 阵R、G 和B,具 体 操 作 如 图所示.图 矩 阵Z字 形 混 淆 过 程 将 矩 阵R、G 和B 的 每 一 行 像 素 序 列 进 行约 瑟 夫 环 置 乱,其 中 第i行 的 约 瑟 夫 步 长 为f(N,S),其 中S i X i.()完 成 最 后 一 行 的 约 瑟 夫 环 置 乱 得 到 置 乱 后 的矩 阵 为R、G 和B.)将 置 乱 后 的 矩 阵R、G 和B 通 过 编 码 规则 进 行D N A编 码,并 分 别 表 示 为R D N A、G D N A和B D N A.编 码 规 则r 也 与
26、 明 文 关 联,W,W 按 编 码 规 则r 将 其 编 码 为W D N A矩阵W D N A.r m o d f l o o r m e a nP(i)M N,()r m o d f l o o r i k i,.()根 据 表所 示 的D N A异 或 运 算 对R D N A和G D N A进 行 异 或 运 算,得 到R D N A;将G D N A和B D N A进 行 异 或 得 到G D N A;对B D N A和W D N A进 行D N A异 或操 作 得 到B D N A,完 成 第 一 次 扩 散.)根 据 表对R D N A和W D N A进 行D N A加 法 运
27、 算 得 到R D N A;根 据 表对G D N A和W D N A进 行D N A减 法 运 算 得 到G D N A,将B D N A和W D N A进 行 异 或 运 算 得到B D N A(运 算 规 则 见 表).第期 郭 昕 刚,等:基 于 混 沌 映 射 和D N A序 列 运 算 的 数 字 图 像 加 密 算 法)通 过D N A解 码 规 则 将R D N A、G D N A、B D N A解 码 为R、G、B,这 里 的 解 码规 则 是 编 码 规 则 的 逆 过 程(见 表).)将R、G、B 合 并 为 最 终 的M N的 密码 图 像C.具 体 加 密 流 程 如
28、 图所 示.图 加 密 算 法 流 程 解 密 过 程 是 加 密 过 程 的 逆 向 运 算,这 里 不 作赘 述.仿 真 结 果 文 中 提 出 的 算 法 在W i n d o w s,M A T L A B R b(G H z C P U和 G B内 存)上 测试.的L e n a和B a b o o n图 像 被 用 来 作为 明 文 图 像.参 数 设 置 为,.实 验 的 加 密 和 解 密 结 果 如 图所 示.由 图可 知,密 文 图 像 与 明 文 图 像 从 视 觉 上没 有 差 别,且 从 密 码 图 像 完 全 看 不 到 明 文 图 像 的信 息,因 此,算 法 可
29、 以 有 效 加 密 图 像、解 密 图 像,并且 能 很 好 地 保 护 明 文 图 像 信 息.(a)L e n a 明 文 图 像(b)L e n a 密 文 图 像(c)L e n a 解 密 图 像 长 春 工 业 大 学 学 报 第 卷(d)B a b o o n 明 文 图 像(e)B a b o o n 密 文 图 像(f)B a b o o n 解 密 图 像图 加 密 和 解 密 结 果 安 全 性 分 析 密 钥 空 间 分 析 对 于 一 个 有 效 的 加 密 方 案,密 钥 空 间 的 大 小不 应 小 于.我 们 方 案 的 密 钥 包 括 纯 图 像 的 位 哈
30、 希 值K,系 统 参 数,和 外 部 密 钥.假 设 计 算 机 的 准 确 度 为,算 法 的 密 钥 空 间 为(M N),密 钥 空 间 足 够大,可 以 抵 抗 常 有 的 攻 击.直 方 图 分 析 为 了 验 证 所 提 算 法 抵 抗 统 计 攻 击 的 能 力,直方 图 常 被 用 来 评 估 算 法 的 性 能.L e n a图 像 直 方 图、密 文 图 像 直 方 图 如 图所示.(a)明 文 图 像 R 分 量 直 方 图(b)明 文 图 像 G 分 量 直 方 图(c)明 文 图 像 B 分 量 直 方 图(d)密 文 图 像 R 分 量 直 方 图(e)密 文 图
31、 像 G 分 量 直 方 图(f)密 文 图 像 B 分 量 直 方 图图 L e n a图 像 直 方 图、密 文 图 像 直 方 图 由 图可 知,明 文 图 像 的 三 个 分 量 直 方 图 分布 较 集 中,具 有 明 显 的 分 布 统 计 特 征;而 密 文 图 像直 方 图 分 布 平 坦,看 不 到 明 显 的 分 布 统 计 特 性,隐藏 了 原 本 的 图 像 特 征.因 此,文 中 提 出 的 算 法 可以 有 效 抵 抗 统 计 分 析 攻 击.第期 郭 昕 刚,等:基 于 混 沌 映 射 和D N A序 列 运 算 的 数 字 图 像 加 密 算 法 信 息 熵 信
32、 息 熵 可 以 用 来 评 价 图 像 的 随 机 性.熵 越大,不 确 定 性 越 大,信 息 量 就 越 大,同 时 可 视 信 息就 越 少.对 于 具 有 个 灰 度 级 的 随 机 图 像 来说,图 像 熵 的 理 论 值 为,信 息 熵 计 算 为H Li p(m i)l o g p(m i),()式 中:L灰 度 级,当 普 通 图 像 为位 灰 度 图像 时,L值 为;P(m i)图 像 矩 阵 中 像 素 值m i的 概 率.L e n a明 文 图 像 和 密 文 图 像 各 分 量 的 熵 值 见表.表 图 像 的 信 息 熵信 息 熵 红 色 分 量 绿 色 分 量
33、蓝 色 分 量明 文 图 像 密 文 图 像 与 明 文 图 像 的 熵 值 相 比,密 码 图 像 的 熵 值 接近 理 想 值.本 算 法 与 其 他 算 法 的 比 较 结 果 见 表.与 其 他 算 法 相 比,文 中 算 法 拥 有 更 大 的 平 均熵 值,得 到 的 密 文 与 其 他 算 法 得 到 的 密 文 相 比 较具 有 更 好 的 随 机 性,更 能 抵 御 信 息 熵 攻 击.表 信 息 熵 的 比 较图 像 本 算 法文 献 算 法文 献 算 法文 献 算 法文 献 算 法L e n a 相 邻 像 素 相 关 性 为 保 证 图 像 信 息 的 安 全,密 码
34、图 像 必 须 满 足尽 可 能 低 的 相 关 性.随 机 选 择 对L e n a明文 和 密 文 的 相 邻 像 素.相 关 系 数 为r x y c o v(x,y)D(x)D(y),()c o v(x,y)NNi(x i E(x)(y i R(y),()D(x)NNi(x i E(x),()E(x)NNi x i,()式 中:c o v(x)x的 协 方 差;D(x)x的 方 差;E(x)x的 期 望.x i,y i像 素 的 灰 度 值;N所 选 像 素 对 的 数 量.L e n a在 各 个 方 向 上 的 相 关 散 点 图 如 图所示.(a)明 文 的 水 平 方 向(b)
35、明 文 的 垂 直 方 向(c)明 文 的 正 对 角 方 向(d)密 文 的 水 平 方 向(e)密 文 的 垂 直 方 向(f)密 文 的 正 对 角 方 向图 L e n a在 各 个 方 向 上 的 相 关 散 点 图 长 春 工 业 大 学 学 报 第 卷 由 图可 知,明 文 图 像 在 各 个 方 向 上 具 有 很强 的 相 关 性,而 密 文 图 像 在 各 个 方 向 上 不 具 有 相关 性.算 法 具 有 较 好 的 去 除 相 邻 像 素 之 间 高 的 相关 性 的 能 力.明 文 和 密 文 图 像 的 相 关 系 数 见 表.表 明 文 和 密 文 图 像 的
36、相 关 系 数算 法文 献 算 法文 献 算 法文 中 算 法明 文R水 平 垂 直 正 对 角 G水 平 垂 直 正 对 角 B水 平 垂 直 正 对 角 密 文R水 平 垂 直 正 对 角 G水 平 垂 直 正 对 角 B水 平 垂 直 正 对 角 表给 出L e n a明 文 图 像 和 密 文 图 像 的R、G、B分 量 在 各 个 方 向 上 的 相 关 系 数.从 数 值 结果 可 以 看 出,明 文 图 像 的R、G、B分 量 的 相 关 系数 值 均 大 于,表 现 出 很 强 的 相 关 性,而 密 文 图像 的 相 关 系 数 值 接 近 于 零,近 似 无 相 关 性;与
37、 其 他算 法 做 对 比 也 显 示 出 本 算 法 有 更 弱 的 相 关 性 及 更好 的 加 密 效 果.噪 声 攻 击 分 析 密 码 图 像 在 传 输 过 程 中 容 易 受 到 噪 声 的 污染,给L e n a的 密 码 图 像 加 上 不 同 密 度 的 椒 盐 噪声 进 行 解 密,根 据 解 密 结 果 的 失 真 程 度 去 评 估 算法 的 抗 噪 声 攻 击 能 力.依 次 给 出 密 码 图 像 添 加、和 的 椒 盐 噪 声 和 它 的 解 密 图 像 分别 如 图 图所 示.(a)密 码 图 像(b)解 密 图 像图 添 加 椒 盐 噪 声 的 图 像(a)
38、密 码 图 像(b)解 密 图 像图 添 加 椒 盐 噪 声 的 图 像(a)密 码 图 像(b)解 密 图 像图 添 加 椒 盐 噪 声 的 图 像 对 比 明 文 图 像,尽 管 添 加 了 噪 声 的 解 密 图 像无 法 恢 复 出 百 分 之 百 的 原 始 明 文 图 像,但 可 以 从密 码 图 像 中 辨 认 出 明 文 图 像 得 到 大 量 原 始 的 明 文图 像 信 息,且 失 真 程 度 不 妨 碍 我 们 辨 认 出 原 始 的明 文 图 像.因 此 算 法 对 噪 声 攻 击 具 有 不 错 的 鲁 棒性.裁 剪 攻 击 分 析 图 像 中 的 数 据 或 信 息
39、 可 能 会 因 为 传 输 而 丢 失或 损 坏,模 拟 实 际 情 况,删 除 密 码 图 像 的 部 分 数 据以 验 证 算 法 在 数 据 丢 失 时 的 鲁 棒 性.分 别 给 出 了丢 失/、/和/数 据 的 密 码 图 像 和 它 的 解密 图 像 分 别 如 图 图 所 示.第期 郭 昕 刚,等:基 于 混 沌 映 射 和D N A序 列 运 算 的 数 字 图 像 加 密 算 法(a)密 码 图 像(b)解 密 图 像图 丢 失/数 据 的 图 像(a)密 码 图 像(b)解 密 图 像图 丢 失/数 据 的 图 像(a)密 码 图 像(b)解 密 图 像图 丢 失/数 据
40、 的 图 像 对 比 明 文 图 像 可 知,解 密 图 像 是 模 糊 的,但 仍然 可 识 别.说 明 本 算 法 在 数 据 丢 失 时 具 有 一 定 的抵 抗 攻 击 能 力.明 文 敏 感 性 分 析 明 文 敏 感 性 分 析 是 比 较 两 个 差 别 微 小 的 明 文图 像 加 密 后 的 密 文 图 像 的 差 别.如 果 两 个 密 文 图像 差 别 迥 异,密 码 系 统 就 有 良 好 的 明 文 敏 感 性.常 用 像 素 变 化 率(N P C R)和 归 一 化 像 素 值 平 均 改变 强 度(U A C I)来 进 行 定 量 分 析,计 算 公 式 为:
41、N P C R M NMi Nj D(i,j),()U A C I M NMi Nj|C(i,j)C(i,j)|,()D(i,j),C(i,j)C(i,j),C(i,j)C(i,j),()式 中:C,C分 别 表 示 两 个 不 同 的 图 像,它 们对 应 的 图 像 只 有 很 小 的 差 异;M,N分 别 代 表 图 像 的 宽 度 和 高 度.微 小 改 变 明 文 后 密 文 图 像 之 间 的N P C R和U A C I值,明 文 敏 感 性 分 析 见 表.表 明 文 敏 感 性 分 析 改 变 方 式平 均 值 理 论 值N P C R U A C I N P C R U A
42、 C I随 机 将 一 点 像 素 加 随 机 交 换 两 点 像 素 它 们 的N P C R和U A C I计 算 结 果 与 理 论 值接 近,即 算 法 表 现 出 很 好 的 明 文 敏 感 性,具 有 很 高的 安 全 性.结语 将 锯 齿 形 混 淆 和 约 瑟 夫 环 相 结 合 提 出 一 种 基于 混 沌 系 统、D N A序 列 操 作 彩 色 图 像 加 密 算 法.算 法 采 用 置 乱 扩 散 的 加 密 结 构,该 加 密 结 构 具 有重 组 和 隐 藏 明 文 信 息 的 优 势.置 乱 过 程 结 合 锯 齿形 混 淆 和 约 瑟 夫 环,降 低 了 相 邻
43、 像 素 的 相 关 性,使得 置 乱 效 果 更 好.扩 散 过 程 中,将 彩 色 图 像 的 三个 分 量 转 化 为 三 个D N A矩 阵,然 后 利 用D N A异或 操 作 对 这 些D N A矩 阵 进 行 扩 散,大 大 降 低 了三 分 量 之 间 的 相 关 性.得 到 的 三 个 排 列 矩 阵 再 与混 沌 序 列 之 间 进 行D N A操 作,使 得 每 个 矩 阵 都包 含 随 机 成 分,降 低 了 这 些 矩 阵 之 间 的 强 相 关 性.置 乱 和 扩 散 过 程 都 依 赖 于 混 沌 序 列.此 外,算 法高 度 依 赖 于 明 文 图 像,利 用
44、图 像 的S H A 哈 希值 生 成 混 沌 系 统 的 初 值 和 系 统 参 数,并 选 择D N A编 码 规 则.本 算 法 只 需 单 轮 加 密 就 可 以 实 现 很 好的 加 密 效 果.仿 真 结 果 以 及 安 全 性 分 析 可 以 说明,算 法 的 安 全 性 好,能 够 抵 抗 各 种 已 知 攻 击,而且 加 密 效 率 高,非 常 适 合 于 实 际 应 用.参 考 文 献:周 红 亮,刘 洪 娟结 合D N A编 码 的 快 速 混 沌 图 像 加密 算 法 J东 北 大 学 学 报:自 然 科 学 版,():W a n g X Y,S u Y N,Z h a
45、 n g H,e t a l A n e w h y b r i di m a g e e n c r y p t i o n a l g o r i t h m b a s e d o n G r a y c o d et r a n s f o r m a t i o n a n d s n a k e l i k e d i f f u s i o nC/T h eV i s u a l C o m p u t e r:C h e n L,T a n g S,L i Q,e t a l A n e w D h y p e r 长 春 工 业 大 学 学 报 第 卷c h a o t i
46、c s y s t e m w i t h h i g h c o m p l e x i t yJ M a t h e m a t i c s a n d C o m p u t e r s i n S i m u l a t i o n,:W a n g J,Z h i X,C h a i X,e t a l C h a o s b a s e d i m a g ee n c r y p t i o n s t r a t e g y b a s e d o n r a n d o m n u m b e r e m b e d d i n g a n d D N A l e v e l
47、 s e l f a d a p t i v e p e r m u t a t i o na n d d i f f u s i o nJ M u l t i m e d i a T o o l s a n d A p p l i c a t i o n s,():P a kC,K i m J,P a n g R,e t a l An e w c o l o r i m a g e e n c r y p t i o n u s i n g D i m p r o v e d l o g i s t i c c o u p l i n g m a pJ M u l t i m e d i a
48、 T o o l s a n d A p p l i c a t i o n s,():L u o Y,Y u J,L a i W,e t a l A n o v e l c h a o t i c i m a g ee n c r y p t i o n a l g o r i t h m b a s e d o n i m p r o v e d b a k e r m a pa n d l o g i s t i c m a pJ M u l t i m e d i a T o o l s a n d A p p l i c a t i o n s,():W u t,X i e S C,
49、Z h a n g J Z,e t a l C o l o r i m a g e e n c r y p t i o n a l g o r i t h m b a s e d o n t h e p o s i t i o n i n d e x a n dc h a o s t h e o r yJ J o u r n a l o f E l e c t r o n i c I m a g i n g,():R e h m a n A U,F i r d o u s A,I q b a l S,e t a l A c o l o ri m a g e e n c r y p t i o
50、n a l g o r i t h m b a s e d o n o n e t i m e k e y,c h a o s t h e o r y,a n d c o n c e p t o f r o t o r m a c h i n eJI E E E A c c e s s,:W a n g X,L i u C A n o v e l a n d e f f e c t i v e i m a g e e n c r y p t i o n a l g o r i t h m b a s e d o n c h a o s a n d D N A e n c o d i n gJ
