基于RNA和像素深度的图像加密方法与流程

基于rna和像素深度的图像加密方法
技术领域
1.本方法涉及一种信息加密技术，特别是涉及一种图像加密方法。


背景技术：

2.随着网络技术的发展，通信方式发生了很大的变化，大量的数字图像通过网络传输，但是网络系统的开放性和网络协议存在缺陷，使得图像信息泄露事件时有发生；基于此，研究者们已提出多种图像加密方法，目前这些方法中存在加密安全性弱或效率低等问题；结合rna理论、二维改进型逻辑斯蒂调整正弦映射（improved logistic
‑
adjusted
‑
sine map，ilasm）混沌、像素深度和四维chen 超混沌等技术，为提高图像加密方法的安全性和效率，保证图像内容安全高效传输，设计了一种基于rna和像素深度的图像加密方法；该方法利用了混沌系统良好的随机性和复杂性，可有效保护交互图像网络传输和存储安全。


技术实现要素：

3.本发明的目的：针对当前大多图像加密算法不具有普适性，不能应用于不同像素深度的图像，无法做到一图一密、一次一密，安全性能较低等问题，提出一种基于rna和像素深度的图像加密方法。
4.本发明的技术方案：为实现上述发明目的，采用的技术方案为基于rna和像素深度的图像加密方法。
5.加密步骤如下：步骤1：密钥生成：令明文图像为i
m
×
n
，像素深度为d，随机选取x
'0
, y
'0
, z
'0
, u
'0
, v
'0
, w
'0
,μ
'
, e', t
'
作为用户密钥输入，利用密钥生成器计算二维ilasm、四维chen超混沌的初值x0, y0, z0, u0, v0, w0和控制参数μ, e，以及三维自适应arnold变换的迭代次数t与控制参数q1, q2；步骤2：混沌序列和矩阵生成：根据初值x0, y0与控制参数μ产生2个二维ilasm混沌序列x
m
×
n
×
d/2
和y
m
×
n
×
d/2
；根据初值z0, u0, v0, w0与控制参数e产生4个四维chen超混沌矩阵z
m
×
n
, u
m
×
n
, v
m
×
n
和w
m
×
n
；步骤3：编码规则的产生：rna的8种编解码如图1所示，根据混沌的初值x0, y0, z0, u0, v0, w0和像素深度d进行一定的运算产生r1, r2, r3, r4, r5, r6六种编解码规则；步骤4：三维rna立方块生成：利用rna编码规则r1对i
m
×
n
进行rna编码得到i
3d
，按一个rna码为厚度对i
3d
进行分层，得rna分层图像i
jr
（j=1, 2,
ꢀ…
, d/2）；利用混沌序列x对i
jr
（j=1, 2,
ꢀ…
, d/2）进行层间置乱可得d/2个大小为m
×
n的平面i
j1 （j=1, 2,
ꢀ…
, d/2）；将每一个平面i
j1
转化为对应的一维向量v
j1
并首尾相连得到一个大的一维向量v1，利用混沌序列y对v1进行整体置乱得到v2；将v2转化为l
×
l
×
l的三维rna立方块i
3dc
；步骤5：自适应立体置乱：对i
3dc
进行三维自适应arnold变换得置乱后的rna立方块i
3da
,将三维i
3da
转换为一维rna序列v3，删除多余零码后，利用r2对v3进行rna解码再转换为大小m
×
n的二维置乱图像i2；
步骤6：定义rna运算规则：定义rna加法（＋）、减法（－）、异或（
⊕
）和同或（
☉
）运算规则：步骤7：运算符选取：分别选取i2中4个顶点，根据编码规则r3，对其像素值的高六位进行rna编码，根据编码结果在氨基酸序列生成表中的分布情况，选取运算符＋，－，
⊕
或
☉
；步骤8：混沌矩阵选取：根据d/8的计算结果确定选取规则，选择混沌矩阵z, u, v, w中的若干矩阵参与运算；步骤9：选择性扩散：将置乱图像i2每8 bit变成图像i
i2
（i=1, 2,
ꢀ…
, d/8），利用r4对i
i2
（i=1, 2,
ꢀ…
, d/8）进行rna编码得i
i3
（i=1, 2,
ꢀ…
, d/8）；利用r5对z, u, v和w进行rna编码得z1, u1, v1和w1，接着根据步骤7选取的运算符对两者进行扩散运算得到分层加密图像i
1e
, i
2e
, i
3e
和i
4e
，将i
1e
, i
2e
, i
3e
和i
4e
合并，可得加密rna图像i
e
；最后，使用r6对i
e
进行rna解码得密文图像i
c
。
6.进一步地，所述步骤1中，二维ilasm指，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）其中，控制参数μ∈[0, 1]，状态值x
i
, y
i
∈[0, 0.2]。
[0007]
进一步地，所述步骤1中，四维chen超混沌指，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）
其中，当控制参数a=35，b=3，c=12，d=7且e∈[0.085, 0.798]时，系统处于超混沌状态。
[0008]
进一步地，所述步骤1中，为产生密钥，利用sha
‑
256，分别计算明文图像i
m
×
n
和当前系统时间对应的256 bit哈希值h1=j1, j2,
ꢀ…
, j
256
和h2=k1, k2,
ꢀ…
, k
256
，将h1与h2分别取前128 bit依次连接为一个长度为256 bit的哈希码h=j1, j2,
ꢀ…
, j
128
, k1, k2,
ꢀ…
, k
128
，并将h按照每8 bit划分成块得h=h1, h2,
ꢀ…
, h
32
。
[0009] 进一步地，所述步骤1中，计算二维ilasm、四维chen超混沌的初值x0, y0, z0, u0, v0, w0与控制参数μ, e，以及三维自适应arnold变换的迭代次数t与控制参数q1, q2：，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3），
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（4），
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（5）其中，mod(
•
) 表示取模运算，floor(
•
) 表示向下取整函数，bin2dec(
•
) 表示二进制转换十进制函数，
⊙
表示同或运算。
[0010]
进一步地，所述步骤2中，根据初值x0, y0与控制参数μ，迭代二维ilasm混沌1000 m
×
n
×
d/2次，舍弃前1000次迭代值，产生2个混沌序列x
m
×
n
×
d/2
和y
m
×
n
×
d/2
；根据初值z0, u0, v0, w0与控制参数e，迭代四维chen超混沌1000 m
×
n次，舍弃前1000次迭代值，产生4个混沌矩阵z
m
×
n
, u
m
×
n
, v
m
×
n
和w
m
×
n
。
[0011]
进一步地，所述步骤3中六种编解码规则指：r1=mod(d floor(x0×
10
14
), 8) 1，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（6）r2=mod(d floor(y0×
10
14
), 8) 1，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（7）r3=mod(d floor(z0×
10
14
), 8) 1，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（8）r4=mod(d floor(u0×
10
14
), 8) 1，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（9）r5=mod(d floor(v0×
10
14
), 8) 1，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（10）
r6=mod(d floor(w0×
10
14
), 8) 1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（11）。
[0012]
进一步地，所述步骤4中，层间置乱指：使用sort(
•
) 函数对x进行排序得到新序列x '
以及索引值序列p1：[x '
, p1]=sort(x(j))， j=1, 2,
ꢀ…
, d/2，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（12）利用索引值p1对i
3d
进行置乱得i
j1
：i
j1
=i
p1(j)r
, j=1, 2,
ꢀ…
, d/2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（13）。
[0013]
进一步地，所述步骤4中，整体置乱指：使用sort(
•
) 函数对y进行排序得到新序列y '
以及索引值序列p2：[y '
, p2]=sort(y(k))，k=1, 2,
ꢀ…
, m
×
n
×
d/2，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（14）将每一个层间置乱后的平面i
j1
转化为对应的一维向量v
j1
，并首尾相连得到一个大的一维向量v1：v1=v
11
v
21
…
v
j1
，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（15）再利用索引值p2对v1进行置乱得到v2：v2(k)=v1(p2(k))，k=1, 2,
ꢀ…
, m
×
n
×
d/2，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（16）将v2转化为l
×
l
×
l的三维rna立方块i
3dc
，若无法整开三次方，则在末尾补零码至符合整开三次方的长度：，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（17）其中，ceil (
•
) 表示向上取整函数。
[0014]
进一步地，所述步骤5中，三维自适应arnold变换指：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（18）。
[0015]
进一步地，所述步骤8中，选取规则为：若d/8=1，则选择第一个混沌矩阵z参与运算；若d/8=2，则选择前两个混沌矩阵z和u参与运算；若d/8=3，则选择前三个混沌矩阵z, u和v参与运算；若d/8=4，则选择所有四个混沌矩阵z, u, v和w参与运算；。
[0016]
进一步地，所述步骤9中，扩散操作指：， (19)其中operator1，operator2，operator3和operator4代表四种运算符＋，－，
⊕
和
☉
其中之一。
[0017]
在解密过程中，利用相同的混沌序列和对应的rna编码方式对密文图像进行处理，可恢复出原始图像，解密过程是加密的逆过程。
[0018]
有益效果：针对当前部分图像加密算法不具有普适性，不能应用于不同像素深度的图像，无法做到一图一密、一次一密，安全性能较低等问题，提出基于rna和像素深度的图
像加密方法；主要贡献有：（1）为改变像素位置，结合rna加密和混沌理论，构建适用于不同像素深度图像的置乱方法；（2）为改变像素值，结合rna加密，混沌理论和像素深度相关理论，设计适用于不同像素深度图像的扩散方法；（3）该方法利用二维ilasm混沌系统和四维chen 超混沌良好的随机性和复杂性，提高了加密效果；因此，该方法具有高效、安全和加密效果良好的特征，可有效保护交互图像网络传输和存储的安全性。
附图说明
[0019]
图1：rna序列的8种编/解码规则；图2：rna运算规则；图3：氨基酸种类与运算符对应表；图4：氨基酸密码子表；图5：基于rna和像素深度的图像加密方法流程图；图6：明文图像；图7：密文图像。
具体实施方式
[0020]
下面结合具体附图和实例对本发明的实施过程进一步详细说明。
[0021]
图5是本方法的加密流程图。
[0022] 采用的编程软件为matlab r2016a，选取图6所示的大小为512
×
512的8bpp （bit per pixel）lena 灰度图像作为实验对象。
[0023]
步骤1：利用sha
‑
256，分别计算明文图像和当前系统时间的哈希值h1和h2；将h1与h2分别取前128 bit整合为1个长度为256 bit的哈希码h=9390454675d1f5e55b046d30f05a8ea1532c6b269a303ac19d3d0a906bb5e250；并结合选取的x
'0
=0.9865, y
'0
=1.4335, z
'0
=1.4977, u
'0=
0.5501, v
'0
=2.5159, w
'0
=1.3714, μ’=1.6686, e
'
=0.2759, t
'
=2.5568，按照公式（3）
‑
（5），计算二维ilasm、四维chen超混沌的初值x0, y0, z0, u0, v0, w0与控制参数μ, e，以及三维自适应arnold变换的迭代次数t与控制参数q1, q2。
[0024]
步骤2：根据初值x0, y0与控制参数μ，迭代二维ilasm混沌1000 512
×
512
×
4次，舍弃前1000次迭代值，产生2个混沌序列x, y；根据初值z0, u0, v0, w0与控制参数e，迭代四维chen超混沌1000 512
×
512次，舍弃前1000次迭代值，产生4个混沌矩阵z, u, v, w。
[0025]
步骤3：编码规则的产生：根据混沌的初值x0, y0, z0, u0, v0, w0和像素深度d=8进行一定的运算产生r1, r2, r3, r4, r5, r6六种编解码规则。
[0026]
步骤4：三维rna立方块生成：利用编码规则r1对i进行rna编码，得到一个大小为512
×
512
×
4的三维rna编码矩阵i
3d
；令每一层为一个层厚，利用混沌序列x对i
3d
层间进行置乱可得4个大小为512
×
512的平面i
j1
（j=1, 2,
ꢀ…
, 4）；将每一个平面i
j1
转化为对应的一维向量v
j1
并首尾相连得到一个大的一维向量v1，利用混沌序列y对v1进行置乱得到v2；补零码之后将v2转化为大小为102
×
102
×
102的三维rna立方块i
3dc
。
[0027]
步骤5：自适应立体置乱：对i
3dc
进行三维自适应arnold变换得置乱后的rna立方块i
3da
，将三维i
3da
转换为一维rna序列v3，删除多余零码后，利用r2对v3进行rna解码再转换为大小512
×
512的二维置乱图像i2。
[0028]
步骤6：定义rna运算规则：定义rna加法、减法、异或和同或运算规则。
[0029]
步骤7：运算符选取：分别选取i2中4个顶点，并将其像素值的高六位进行规则r3的rna编码，根据编码结果在氨基酸序列生成表中的分布情况，选取对应的运算符。
[0030]
步骤8：混沌矩阵选取：根据d/8=1，选择第一个混沌矩阵z参与运算。
[0031]
步骤9：选择性扩散：将i2中每8 bit变成图像i
i2 （i=1）,利用r4对其进行rna编码得i
i3
；利用r5对参与运算的混沌矩阵进行rna编码得z1，接着根据步骤7选取的运算符对两者进行相应的扩散运算得到分层加密图像i
1e
，即加密rna图像i
e
；最后，使用r6对i
e
进行rna解码，可得如图7所示的密文图像i
c
。
[0032]
按照解密流程，利用相同密钥，相同索引及相同混沌对密文图像进行解密可得解密结果，同图6所示。