基于DNA編碼和混沌的數(shù)字圖像對(duì)稱加密算法研究.pdf

1、作為一個(gè)新興的主題，基于混沌和DNA互補(bǔ)的規(guī)則的數(shù)字圖像對(duì)稱加密技術(shù)最近已經(jīng)吸引了很多研究人員的關(guān)注。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，除了文本信息以外，利用視聽(tīng)信息變得比過(guò)去更為普遍。以數(shù)字圖像為核心的多媒體內(nèi)容，已經(jīng)成為未來(lái)的信息傳輸中的中流砥柱。數(shù)字圖像的安全需求促進(jìn)了各種加密技術(shù)的發(fā)展。
　　混沌由于具有對(duì)初始條件和控制參數(shù)的敏感性以及遍歷性等特點(diǎn)，成為非線性動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)研究熱點(diǎn)。低維離散混沌函數(shù)能夠簡(jiǎn)單和高效地加密生成偽隨機(jī)序列。

2、另一方面，DNA加密是一個(gè)密碼領(lǐng)域的有力工具。由于 DNA具有巨大的并行性和高存儲(chǔ)容量的特點(diǎn)，這一領(lǐng)域變得前途遠(yuǎn)大。基于 DNA和離散混沌函數(shù)的算法結(jié)合了加密領(lǐng)域的經(jīng)典解決方案和遺傳學(xué)的優(yōu)勢(shì)，利用這兩個(gè)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)來(lái)有效地保護(hù)圖像信息。
　　傳統(tǒng)數(shù)字加密系統(tǒng)如 DES、AES和RSA等，主要針對(duì)文本數(shù)據(jù)，而不適合于多媒體流，這是由于圖像數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、像素間具有高相關(guān)性和高冗余等特性會(huì)帶來(lái)顯著的開(kāi)銷。而且，傳統(tǒng)的加密技術(shù)要求解密后

3、的數(shù)據(jù)和明文數(shù)據(jù)完全相同。為了解決這個(gè)問(wèn)題，對(duì)稱選擇性加密能滿足計(jì)算復(fù)雜度和時(shí)延要求并且保證足夠安全性，從而成為一種適用于實(shí)時(shí)應(yīng)用的密碼技術(shù)。所以本研究為了減少加密開(kāi)銷，使用選擇性加密方法加密高位的明文。在對(duì)稱加密技術(shù)中，使用相同的密鑰解密和加密，既快速又高效，因?yàn)樗枰挠?jì)算量較低。為了更好地使用DNA互補(bǔ)的規(guī)則以及在加密算法前以動(dòng)態(tài)的方式將DNA擴(kuò)散，首次將完整的DNA互補(bǔ)的規(guī)則用于選擇性圖像數(shù)據(jù)塊的編碼和解碼。每一個(gè)塊的DNA選擇

4、規(guī)則依賴于混沌序列。分段線性混沌映射的初始條件和控制參數(shù)與 Logistic映射依賴于普通圖像的128位散列值以避免選擇明文攻擊。本文的主要貢獻(xiàn)如下:
　?、僭谔岢龅牡谝粋€(gè)加密算法中，選擇一部分圖像在 DNA加法運(yùn)算下以流模式加密。這個(gè)方案最重要的優(yōu)勢(shì)是，盡管在傳輸過(guò)程中有信道產(chǎn)生的噪聲積累，它仍然能夠?qū)⒚芪膱D像解密為原始圖像，并且十分高效，這使得它適用于實(shí)時(shí)應(yīng)用。該方案首先運(yùn)用 PWLCM對(duì)圖像進(jìn)行置亂，其次是將圖像分解為最高有

5、效位(MSB)和最低有效位(LSB)。在 LSB部分運(yùn)用 DNA加法操作完成對(duì) MSB進(jìn)行擴(kuò)散，隨后完成圖像的LSB和擴(kuò)散后的MSB部分的解碼。接著，Logistic序列分別與解碼后的MSB和LSB進(jìn)行?異或‘操作，最后這兩個(gè)部分結(jié)合起來(lái)得到加密圖像。
　?、谠诘诙€(gè)加密算法中，提出了一個(gè)新的基于對(duì)偶操作的擴(kuò)散方案，也叫做交叉擴(kuò)散，是以塊模式加密數(shù)字圖像。首先，每個(gè)數(shù)字圖像的不同部分進(jìn)行不同的擴(kuò)散操作：為MSB塊進(jìn)行?異或‘操作和

6、在DNA模式下對(duì)LSB進(jìn)行加法操作。置換后，圖像被分成 LSB和MSB部分，然后兩個(gè)部分被轉(zhuǎn)換為單獨(dú)的一維數(shù)組。這些一維數(shù)組被劃分為非重疊的固定大小的塊，然后進(jìn)行基于 DNA的編碼，其中LSB和MSB的每個(gè)塊都根據(jù)Logistic序列進(jìn)行動(dòng)態(tài)選擇DNA規(guī)則。本算法的創(chuàng)新性是每個(gè) LSB塊通過(guò)與 MSB塊相加實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散，而每個(gè) MSB塊通過(guò)與 LSB塊異或運(yùn)算實(shí)現(xiàn)加密。
　　本文重點(diǎn)研究了結(jié)合 DNA和混沌的圖像加密方案，以保證加密過(guò)