[发明专利]基于忆阻超混沌系统、元胞自动机和DNA计算的图像加密方法

说明书

技术领域

本发明涉及图像加密领域，特别涉及一种基于忆阻超混沌系统、元胞自动机和DNA计算的图像加密方法。

背景技术

当今，伴随着智能终端设备的快速发展和普及，我们生活中的绝大多数信息，例如在微博上分享的图片、利用微信视频对话等，都要通过网络的传输。图像由于具有形象生动、简单、直观等优点，已经发展成为我们生活中不可或缺的交流方式。但是，人们对网络安全的研究并没有达到一个绝对可靠的地步，所以图像在网络中的传输也存在着巨大的安全漏洞。信息遭到泄密的新闻报道也屡见不鲜，所以确保信息在网络传输中的安全性已经成为研究学者必须面对的问题。通常来说，要传输的图像通常都有着一些相同的特点，都存在着数据量大、相邻像素相关性强、冗余度高等特点。起初，人们对信息安全的研究主要聚焦于文本信息，它们大多都是以一维数据流为设计目标的，像DES、3-DES和RSA等，并没有考虑到数字图像的特点，如果采用和文本信息相同的加密方式来对图像进行加密，其加密效果并没有达到预期的目的。所以寻找一种安全的、可靠的、实用的图像加密方法已经摆在人们面前。目前，采用混沌系统并结合其它加密手段对图像进行加密已经成为信息安全研究的一个热点，具有巨大的应用潜力。

过去大多数图像加密算法都是基于低维的混沌系统，低维混沌系统具有结构简单、易于操作且计算速度快的优点，但是低维混沌系统由于密钥空间较小，产生的伪随机序列复杂度不高且容易受到相空间重构法攻击的缺点而导致其加密的图像安全性不太高，随着计算机运行速度的提高和新型算法的提出，很多基于低维混沌系统的加密算法已经被成功破解，这就促使更多学者通过采用高维的超混沌系统来对图像进行加密。超混沌系统的吸引子具有难以识别的拓扑结构，动力学行为也比一般的混沌系统更加复杂且难以预测，并且相应加密算法的秘钥空间大，这使得超混沌系统在通信加密及信息安全领域具备更高的使用价值。随着2008年惠普实验室的科学家成功研制出第一个物理实现的忆阻器开始，各种基于忆阻器的超混沌系统也已经成为学术界研究的一个热点。忆阻器是一种非线性无源元件，具有非线性、非易失性、体积小和功耗低的优点，这都使得忆阻器成为混沌非线性电路的理想选择。基于忆阻器的混沌系统具有以下几个优势：①忆阻器具有着纳米级的尺寸，当应用于混沌系统的非线性部分时可以大大缩小系统的物理尺寸；②忆阻器的阻值是随着磁通或电荷的变化而产生的，其伏安特性曲线能够过零点，可以得到多样的非线性曲线，这就提高了混沌系统的复杂度和信号的随机性；③大多数忆阻材料可以与CMOS工艺兼容，这就使得忆阻系统具有更低的能量消耗，由于这些优势，忆阻混沌系统在通信和信息加密领域具有广阔的应用前景。

近年来，随着元胞自动机研究的不断深入，将元胞自动机应用于图像加密越来越受到研究学者的青睐。元胞自动机属于一种离散的动力系统，具有在时间、状态和空间上都离散的特性，除此之外，元胞结构简单、并行性好，每个元胞由简单的与、或等逻辑运算组成，运算简单，非常适合图像加密的实现，尤其是二维元胞自动机在并行加密方面更是有着天然的优势，所以将混沌系统与元胞自动机结合用于图像加密也是图像加密一个新方向。然而，当前的图像加密技术和相关的理论还不够完善，很多算法仅仅依赖元胞自动机或单纯的混沌映射进行图形加密，安全性还是不够高，因此有必要寻找一种复合构造的图像加密系统。

当前，另外一种采用较多的图像加密方法就是利用伪DNA计算来对图像进行加密，DNA加密主要是以生物学技术的局限性为安全依据，与计算能力无关，因此即使是量子计算机也无法攻破DNA密码学的保护，从而具有更高的安全性。同时，由于DNA计算具有许多其它计算方式所不具备的特性，如超高并行性、超低能耗等，又具有超强存储能力，这使得DNA计算在密码学上具有先天的优势。但是已有的基于DNA的加密算法大多要依赖于生物实验进行操作，由于生物实验设备昂贵，实验环境难以控制，实验灵敏性高等缺点，导致基于DNA计算的加密方法还是理论多于实践，通过采用伪DNA计算对图像进行加密可以避免生物实验。除此之外，DNA编码规则有8种，大多数基于DNA的加密算法都是采用其中的某一种编码规则，这就造成了算法对穷举攻击的抵抗能力不强，严重威胁了信息的安全存储和传输。

发明内容