[发明专利]基于RT-DNA元胞自动机的图像加密方法

说明书

技术领域

本发明涉及DNA计算领域和数字图像加密的领域，具体是一种数字图像加密方法，主要是利用RT-DNA元胞自动机的规则实现图像加密的目的。

背景技术

随着数字技术以及计算机网络的快速发展，数字图像已经成为信息表达和传递的主要方式之一，被广泛地应用到政治、经济、军事、教育等各领域，人们可以通过网络便捷地传输各种图像信息。然而，由于数字信息极易被复制、篡改、非法传播和蓄意攻击，人们在享受信息传递的快捷便利的同时，也对信息传输的安全性和保密性提出了更高的要求。

基于混沌理论的图像加密技术是目前图像加密领域中使用最广泛的一种方法。它是把待加密的图像信息看作是按照某种方式编码的数据流，利用混沌信号来对图像数据流进行加密的。由于混沌具有宽频谱、类随机性、对系统参数及初始状态的极端敏感性等一系列性质，使得此类方法具有保密性强、随机性好、密钥量大、更换密钥方便等优点。然而，尽管基于混沌的图像加密具有上述特点和优势，但目前混沌理论在密码学上的实际应用中也同样存在着许多问题，比如混沌系统的离散化问题、有限精度问题等，而且，随着混沌破译技术的不断发展，如Short通过多步非线性预测的方法先后破译了混沌掩盖与混沌调制的加密方案。因此，基于混沌的图像加密技术的安全性也受到严重的威胁。

传统的加密方法中将只有一次一密是安全的。一次一密虽然是目前最为安全的一种加密方法，但是由于保存一个巨大的一次一密乱码本非常困难，所以现有的一次一密的使用受到了很大的限制。除了军事等极少数部门之外，普通使用者根本无法利用一次一密进行图像加密。

基于DNA密码学的加密方法是近年来伴随着DNA计算的研究而出现的密码学新领域，其特点是以DNA为信息载体，以现代生物技术为实现工具，挖掘DNA固有的高存储密度和高并行性等优点，实现加密、解密等密码学功能。已有的基于DNA密码学的加密方法中加密信息通常只能通过物理的方法进行传递。而且对于发送者和接受者来说，都要进行较为复杂的生物学实验，因此加密和解密的成本均很高。

为了克服上述加密方案的缺点，本发明提出了一种基于RT-DNA元胞自动机的图像加密方法。在这种方法中，利用天然DNA序列作为主要的密钥，一方面继承了一次一密加密方法的优点，一方面又解决了一次一密乱码本困难保存的问题。同时，此方法摆脱了DNA密码学中的复杂生化操作，可以有效地对数字图像进行加密，加密结果可以通过互联网进行传递。现有的密码学分析的方法也不能有效地破解本加密方法。本方法具有较高的安全性，加密效果好，密钥空间大，能够有效地抵抗穷举攻击，统计攻击以及差分攻击，且方法易于实现，成本较低。

发明内容

为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：首先，利用天然DNA序列产生一个与编码后原图像规模相同的DNA矩阵。然后，定义了一个DNA模板的概念，用其修正由天然DNA序列形成的矩阵，得到密钥DNA矩阵。最后，使用新定义的RT-DNA元胞自动机规则进行加密，得到加密图像。附图1所示为本发明的方法流程图，其具体包括以下技术环节：

1.图像的DNA编码与解码

单链DNA序列由四种碱基A(adenine)、C(cytosine)、G(guanine)、T(thymine)组成，其中A与T、C与G互补。用00、01、10、11分别对DNA序列中的四个碱基进行二进制编码，由于二进制数字0与1互补，从而00与11互补，01与10互补。本文用A表示00，T表示11，C表示01，G表示10。通常8位灰度图像的每一个像素灰度值可以由8位二进制数表示，而这8位二进制数又可编码成长度为4的DNA序列。

反之，对DNA序列进行解码时，用00表示A，11表示T，01表示C，10表示G，这样一个DNA序列矩阵就可以解码成二值序列，然后，将每8位矩阵元素组成一组进行十进制转换，就可以还原成0～255之间的一个实数。

例如：原图像的某一个像素灰度值是54，转换成二进制数是[00110110]用上述DNA编码映射准则进行编码得到DNA序列[ATCG]；反之用A映射00，T映射11，C映射01，G映射10，对这个DNA序列进行解码，即可得到二进制序列[00110110]。

2.DNA模板的产生

本发明根据原图像的灰度值，计算初值x₀，然后利用Logistic混沌映射，在初值为x₀，系统参数为μ的条件下，产生长度为m×n×4×2的混沌序列。

(1)初值x₀