基于多向扫描模型和DNA掩膜运算的多图像加密方法

基于多向扫描模型和dna掩膜运算的多图像加密方法
技术领域
1.本发明涉及一种信息加密技术，特别是涉及一种多图像加密方法。


背景技术：

2.近年来，人们对网络和信息系统的安全问题越来越重视，图像已经成为人们日常生活中重要的信息载体，它可以直观、生动地传递大量的信息，广泛应用于通信、军事和医疗领域。然而，由于互联网的开放性，信息在网络传输过程中容易被截获或泄露。数据隐藏和图像加密是保持图像安全的常用方法，但前者由于没有足够的嵌入能力而受到一些限制，相比之下，图像加密可有效地保护图像。因此，如何有效和安全地加密图像就变得非常重要。
3.因为图像具有数据容量大、像素与数据冗余相关性高的特点，传统的数据加密算法无法加密数字图像。近年来，基于混沌的各种加密算法被提出，如基于混沌的图像加密、基于压缩感知的图像加密、基于遗传算法的图像加密。随着大数据时代的到来，网络信息传输能力也得到了提高，对加密算法的效率和安全性的要求也进一步提升。
4.为保护图像信息不被窃取，提高网络传输过程中加密的安全性和效率，提出了一种基于多向扫描模型和dna掩膜运算的多图像加密方法，该方法能够实现一次性加密多幅图像，提高了加密过程的安全性和高效性。


技术实现要素：

5.本发明的目的：为保护图像信息不被窃取，提高网络传输过程中加密的安全性和效率，提出了一种基于多向扫描模型和dna掩膜运算的多图像加密方法。
6.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多向扫描模型和dna掩膜运算的多图像加密方法，加密步骤详述如下：步骤1：构建大图像：按照一定的规则，将k幅大小均为m
×
n的明文图像i1, i2,
ꢀ…
, ik构建成一幅大图像ib；步骤2：生成密钥流：利用sha-256计算出ib的256比特哈希值h；将h按8比特进行划分，则h=k1, k2,
ꢀ…
, k
32
；随机选取外部输入参数c1, c2, c3, c4，利用公式（2）-（4）计算公式（1）所示的二维logistic-adjusted-chebyshev映射的两组初始值和控制参数，即初始值x
01
, y
01
、控制参数γ1和初始值x
02
, y
02
、控制参数γ2，，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）
，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2），
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3），
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（4）其中，arccos(
•
)表示反余弦函数，mod(
•
)表示取模运算，hex2dec(
•
)表示将十六进制数转换为十进制数；步骤3：生成混沌序列：利用初始值x
01
, y
01
和控制参数γ1，对公式（1）进行mn次迭代，可得2个长度均为mn的混沌序列x={xi}，y{yi}；利用初始值x
02
, y
02
和控制参数γ2，对公式（1）进行k次迭代，可得2个长度均为k的混沌序列u={ui}，v{vi}；步骤4：构建图像立方体：按照一定的规则，将i1, i2,
ꢀ…
, ik转换成一个大小为m
×n×
k的图像立方体p1；步骤5：计算扫描次序：计算p1的坐标轴扫描次序s， s=mod(floor((p1 p2 p3 p4)/4)
×
10
14
, 6) 1，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（5）其中，floor(
•
)代表向下取整函数；扫描次序规则为：其中，x, y,z分别为p1所在三维坐标系的坐标轴；步骤6：建立多向扫描模型：计算x, y,z坐标轴方向的扫描起始位置和扫描方向；x坐标轴方向：，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（6）其中，(r
yx
, r
zx
)为x坐标轴方向上p1的k层图像扫描起始位置，r
sx
为扫描方向规则；y坐标轴方向：
，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（7）其中，(r
xy
, r
zy
)为y坐标轴方向上p1的m层图像扫描起始位置，r
sy
为扫描方向规则；z坐标轴方向：，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（8）其中，(r
xz
, r
yz
)为z坐标轴方向上p1的n层图像扫描起始位置，r
sz
为扫描方向规则；扫描方向规则定义为：利用(r
yx
, r
zx
, r
sx
)，(r
xy
, r
zy
, r
sy
)，(r
xz
, r
yz
, r
sz
)分别对p1进行x, y,z坐标轴方向进行多向扫描，可得一个大小为m
×n×
k的置乱立方体p2；步骤7：生成掩膜矩阵和规则矩阵：计算， m
i1
=mod(floor(xi×
10
14
), 256)，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（9） g
i1
=mod(floor(yi×
10
14
), 4) 1，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（10）其中,i=1, 2,
ꢀ…
, mn，xi∈x，yi∈y，m
i1
∈m1，g
i1
∈g1；将m1和g1分别转换为大小为m
×
n的掩膜矩阵m2和规则矩阵g2；dna掩膜运算规则为：步骤8：动态dna编码：dna编码规则为：对x坐标轴方向上p2的k层图像进行动态dna编码，其中第j层图像，采用dna编码规则fj进行dna编码，fj=mod(floor(uj×
10
14
), 8) 1，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（11）其中，j=1, 2,
ꢀ…
, k，uj∈u，fj∈f；将k层图像都进行dna编码后，可得一个大小为m
×
4n
×
k的dna编码立方体p3；采用dna编码规则1对m2进行dna编码，可得一个大小为m
×
4n
的dna掩膜矩阵m3；步骤9：dna掩膜运算：根据g2对p3与m3进行dna运算，可得一个大小为m
×
4n
×
k的扩散立方体p4；步骤10：动态dna解码：对x坐标轴方向上p4的k层dna矩阵进行动态dna解码，其中第j层图像，采用dna编码规则qj进行dna解码， qj=mod(floor(vj×
10
14
), 8) 1，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（12）其中，j=1, 2,
ꢀ…
, k，vj∈v，qj∈q；可得一个大小为m
×n×
k的图像立方体p5，将x坐标轴方向上p5的k层图像进行拆分，可得k幅大小均为m
×
n的加密图像e1, e2,
ꢀ…
, ek。
7.在解密过程中，利用相同的混沌序列对加密图像进行解密操作，可恢复原始图像，解密过程是加密的逆过程。
8.有益效果：为保护图像信息不被窃取，提高网络传输过程中加密的安全性和效率，提出了一种基于多向扫描模型和dna掩膜运算的多图像加密方法，主要贡献有以下四点：（1）突破加密容量限制，可一次性加密多幅数字图像；（2）整个加密过程在立体图像层面进行置乱和扩散，多图像加密效果显著；（3）dna掩膜运算在像素层面动态进行，增强了dna运算的灵活性；（4）实验结果与对比分析表明，该方法具有极高的安全性和可靠性。
附图说明
9.图1：加密流程图；图2：原始图像集；图3：加密图像集。
具体实施方式
10.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。
11.图1是本方法的加密流程图。
12.采用的编程软件为 matlab r2016a，选取图2所示的4幅大小均为512
×
512的灰度图像作为实验对象。
13.步骤1：构建大图像：按照一定的规则，将4幅大小均为512
×
512的明文图像构建成一幅大图像ib。
14.步骤2：生成密钥流：利用sha-256计算出ib的256比特哈希值h；将h按8比特进行划分，则h=k1, k2,
ꢀ…
, k
32
；随机选取外部输入参数c1, c2, c3, c4，利用公式（2）-（4）计算公式（1）所示的二维logistic-adjusted-chebyshev映射的两组初始值和控制参数，即初始值x
01
, y
01
、控制参数γ1和初始值x
02
, y
02
、控制参数γ2。
15.步骤3：生成混沌序列：利用初始值x
01
, y
01
和控制参数γ1，对公式（1）进行262144次迭代，可得2个长度均为262144的混沌序列x={xi}，y{yi}；利用初始值x
02
, y
02
和控制参数γ2，对公式（1）进行4次迭代，可得2个长度均为4的混沌序列u={ui}，v{vi}。
16.步骤4：构建图像立方体：按照一定的规则，将4幅原始图像转换成一个大小为512
×
512
×
4的图像立方体p1。
17.步骤5：计算扫描次序：利用公式（5）计算p1的坐标轴扫描次序s。
18.步骤6：建立多向扫描模型：利用公式（6）-（8）计算x, y,z坐标轴方向的扫描起始
位置和扫描方向；利用(r
yx
, r
zx
, r
sx
)，(r
xy
, r
zy
, r
sy
)，(r
xz
, r
yz
, r
sz
)分别对p1进行x, y,z坐标轴方向进行多向扫描，可得一个大小为512
×
512
×
4的置乱立方体p2。
19.步骤7：生成掩膜矩阵和规则矩阵：利用公式（9）和（10）生成掩膜矩阵m2和规则矩阵g2。
20.步骤8：动态dna编码：对x坐标轴方向上p2的4层图像进行动态dna编码，其中第j层图像，采用dna编码规则fj进行dna编码，将4层图像都进行dna编码后，可得一个大小为512
×
1024
×
4的dna编码立方体p3；采用dna编码规则1对m2进行dna编码，可得一个大小为512
×
1024的dna掩膜矩阵m3。
21.步骤9：dna掩膜运算：根据g2对p3与m3进行dna运算，可得一个大小为512
×
1024
×
4的扩散立方体p4。
22.步骤10：动态dna解码：对x坐标轴方向上p4的4层dna矩阵进行动态dna解码，其中第j层图像，采用dna编码规则qj进行dna解码，可得一个大小为512
×
512
×
4的图像立方体p5，将x坐标轴方向上p5的4层图像进行拆分，可得4幅大小均为512
×
512的加密图像，如图3所示。
23.在解密过程中，利用相同的混沌序列对加密图像进行解密操作，可恢复出原始图像，解密过程是加密的逆过程。