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专利号: 2017103639523
申请人: 河南大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 计算;推算;计数
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于DNA序列运算和变形耦合映像格子的双彩色图像的加密方法,其特征在于,包含如下内容:步骤a)、分别对输入的两幅彩色明文图像进行红、绿、蓝三基色分量进行分离,得到分离矩阵;并结合密钥,产生时空混沌系统中变形耦合映像格子的参数和初始值,通过迭代,产生密钥流L1、L2、K1、K2和随机数d1、d2、d3;

步骤b)、将分离矩阵分别转换成二进制矩阵,对二进制矩阵重新组合为两个重组矩阵,利用密钥流L1、L2对重组矩阵进行位级置乱,并对置乱后的矩阵进行分割;

步骤c)、利用DNA编码规则,并结合随机数d1、d2、d3,将分割后的矩阵进行转换得到初始DNA矩阵,并对DNA矩阵进行加、减和异或运算,得到DNA矩阵;

步骤d)、利用DNA解码规则和随机数d1、d2、d3,将DNA矩阵随机转换为十进制矩阵,并利用密钥流K1、K2和按位异或运算,改变图像像素的值,得到最终的密文图像。

2.根据权利要求1所述的基于DNA序列运算和变形耦合映像格子的双彩色图像的加密方法,其特征在于,该加密方法实现过程如下:步骤(1)对输入大小为M×N×3的两幅彩色明文图像I0、P0,分别分离红、绿、蓝三基色分量,得到六个大小为M×N的矩阵IR0、IG0、IB0、PR0、PG0、PB0;并结合密钥ε0、α0、β0、xt(0)(t=

1,2,3),产生时空混沌系统中变形耦合映像格子的参数和初始值,通过迭代该时空混沌系统,产生密钥流L1、L2、K1、K2和随机数d1、d2、d3;

步骤(2)将矩阵IR0、IG0、IB0、PR0、PG0、PB0分别转换成对应的二进制矩阵IR1、IG1、IB1、PR1、PG1、PB1,大小均为M×8N;将二进制矩阵IR1、IG1、IB1、PR1、PG1、PB1重新组成两个大小为

3M×8N的重组矩阵A、B,利用密钥流L1、L2对重组矩阵A、B分别进行位级置乱,并将置乱后的矩阵分割成六个大小为M×8N的矩阵IR2、IG2、IB2、PR2、PG2、PB2;

步骤(3)利用DNA编码规则,结合随机数d1、d2、d3,将二进制矩阵IR2、IG2、IB2、PR2、PG2、PB2分别转换成大小为M×4N的初始DNA矩阵IR3、IG3、IB3、PR3、PG3、PB3,并执行DNA加、减和异或运算,得到DNA矩阵IR4、IG4、IB4、PR4、PG4、PB4;

步骤(4)利用DNA解码规则和随机数d1、d2、d3,将DNA矩阵IR4、IG4、IB4、PR4、PG4、PB4分别随机转换为十进制矩阵IR5、IG5、IB5、PR5、PG5、PB5,并利用密钥流K1、K2和按位异或运算,改变图像像素的值,得到最终的密文图像C1、C2。

3.根据权利要求2所述的基于DNA序列运算和变形耦合映像格子的双彩色图像的加密方法,其特征在于,步骤(1)中变形耦合映像格子表示为:xn+1(i)=(1-ε)(1-f(xn(i)))+ε[f(xn(i+1))+f(xn(i-1))]/2,其中,n为离散时间步数,i为离散格点坐标,f(u)=(1-β-4)·ctg(α/(1+β))·(1+1/β)β·tg(αu)·(1-u)β,ε为耦合系数,ε∈(0,1),α、β为正实数,且α∈(1.5,1.57],β∈[3,15]。

4.根据权利要求3所述的基于DNA序列运算和变形耦合映像格子的双彩色图像的加密方法,其特征在于,步骤(1)中产生密钥流L1、L2、K1、K2和随机数d1、d2、d3,包含如下内容:步骤11、根据矩阵IR0、IG0、IB0、PR0、PG0、PB0,计算得到两幅图像的峰值信噪比PSNRR,G,B,并通过ε0、α0、β0、xt(0)(t=1,2,3)更新变形耦合映像格子的参数和初始值,得到参数ε′、α′、β′以及初始值x′t(0)(t=1,2,3);

步骤12、利用参数ε′、α′、β′以及初始值x′t(0)(t=1,2,3),迭代变形耦合映像格子MN+l次,并抛弃前l个值,得到长度为MN的3组混沌序列St,其中,l≥1500;

步骤13、对序列St做如下运算处理:

S′k(i)=10ρ×Sk(i)-fix(10ρ×Sk(i)),(i=1,2,L,MN)d1=fix(mod(S′1(M)×1010,8)),d2=fix(mod(S′2(M+N)×1012,8)),d3=fix(mod(S′3(10M)×109,8)),SK1={S′1(M+1),S′1(M+2),L,S′1(4M)},SK2={S′2(8M-1),S′2(8M),L,S′2(12M)},SK3=reshape(S′2,M,N),SK4=reshape(S′3,M,N),[V1,L1]=sort(SK1),[V2,L2]=sort(SK2)K1(i′,j′)=mod(fix(abs(S′3(i′,j′)×1012)),256),K2(i′,j′)=mod(fix(abs(S′2(i′,j′)×1014)),256),得到密钥流L1、L2、K1、K2和随机数d1、d2、d3,其中,fix(·)为取整函数,mod(·,·)为取余函数,abs(·)为取绝对值函数,函数reshape(X,M,N)根据长度为MN的序列X返回一个大小为M×N的矩阵,sort(X)为排序函数,ρ为正整数。

5.根据权利要求4所述的基于DNA序列运算和变形耦合映像格子的双彩色图像的加密方法,其特征在于,步骤11中更新变形耦合映像格子的参数和初始值的计算公式如下:Δ2=((PSNRG+PSNRB)/2)/256/10,Δ3=(PSNRG+PSNRB-PSNRR)/256/10,ε′=ε0+Δ1,α′=α0-Δ2,β′=β0+Δ3,x′1(0)=(x1(0)+Δ1)mod 1,

x′2(0)=(x2(0)+Δ2)mod 1,

x′3(0)=(x3(0)+Δ3)mod 1。

6.根据权利要求2所述的基于DNA序列运算和变形耦合映像格子的双彩色图像的加密方法,其特征在于,步骤(2)中重新组成两个大小为3M×8N的重组矩阵A、B,重组过程如下:A(1:M,1:8×N)=IB1(1:M,1:8×N),A(M+1:2×M,1:8×N)=PG1(1:M,1:8×N),A(2×M+1:3×M,1:8×N)=IR1(1:M,1:8×N),B(1:M,1:8×N)=PB1(1:M,1:8×N),B(M+1:2×M,1:8×N)=IG1(1:M,1:8×N),B(2×M+1:3×M,1:8×N)=PR1(1:M,1:8×N)。

7.根据权利要求2所述的基于DNA序列运算和变形耦合映像格子的双彩色图像的加密方法,其特征在于,步骤(2)中利用密钥流L1、L2对重组矩阵A、B分别进行位级置乱,并将置乱后的矩阵分割成六个大小为M×8N的矩阵IR2、IG2、IB2、PR2、PG2、PB2,实现过程如下:步骤2a、根据位级置乱规则,通过密钥流L1、L2对重组矩阵A、B分别进行位级置乱,所述的位级置乱规则内容如下:A1(L1(i),j)=A(i,j),

A2(i,L2(j))=A1(i,j),

B1(L1(i),j)=B(i,j),

B2(i,L2(j))=B1(i,j),(i=1,2,L,3M;j=1,2,L,8N);

步骤2b、依据分块原理将置乱后的矩阵分割成六个大小为M×8N的矩阵IR2、IG2、IB2、PR2、PG2、PB2,所述的分块原理内容如下:IR2=A2(1:M,1:8×N),

IG2=A2(M+1:2×M,1:8×N),

IB2=A2(2×M+1:3×M,1:8×N),

PR2=B2(1:M,1:8×N),

PG2=B2(M+1:2×M,1:8×N)。

8.根据权利要求2所述的基于DNA序列运算和变形耦合映像格子的双彩色图像的加密方法,其特征在于,步骤(3)中DNA编码规则和/或步骤(4)中DNA解码规则如下:。

9.根据权利要求2所述的基于DNA序列运算和变形耦合映像格子的双彩色图像的加密方法,其特征在于,步骤(3)中执行DNA加、减和异或运算的DNA加、减、异或运算规则分别如下:,

按照如下公式对DNA矩阵IR3、IG3、IB3、PR3、PG3、PB3进行加、减和异或运算:IR4(i,j)=OperAdd(IR3(i,j),PB3(i,j)),IG4(i,j)=OperSubtract(IR4(i,j),PG3(i,j)),IB4(i,j)=OperXOR(IB3(i,j),IG4(i,j)),PR4(i,j)=OperSubtract(IB4(i,j),PR3(i,j)),PG4(i,j)=OperXOR(IG3(i,j),PR4(i,j)),PB4(i,j)=OperAdd(PG4(i,j),IB3(i,j)),(i=1,2,L,M;j=1,2,L,8N)。

10.根据权利要求1所述的基于DNA序列运算和变形耦合映像格子的双彩色图像的加密方法,其特征在于,步骤(4)中利用密钥流K1、K2和按位异或运算,改变图像像素的值,计算公式如下: