文摘
提出了一种新的图像加密方案结合,块的闭环扩散和DNA分子突变。新的混沌块加密编码机制提出取代传统的交换规则结合rectangular-ambulatory-plane双向随机无序的循环移位。闭环扩散策略的目的是形成一个反馈系统,可以改善算法的抗干扰能力。进一步破坏块特征和消除相邻块之间的相关性,采用的两种有效方法DNA分子突变突变阶段。此外,该算法具有密钥空间大,密钥与明文图像是高度相关的。实验结果表明,提出的图像加密策略是可行的,对各种常见的攻击能力强。
1。介绍
在互联网上很多图片旅行由于shareability和网络传输的开放,这可能威胁到私人图像信息的安全性。为了解决这个问题,各种各样的图像加密算法提出了先后[1- - - - - -4]。这些算法的主要目的是加密的图像信息的噪音。李为例,设计了一个图像加密算法与混沌帐篷映射,由于采用修改后的混沌序列生成的密钥流更适合加密(5]。达到降低计算消耗和提高效率在爬,王提供了一个快速的彩色图像加密与相关物流地图(6]。然而,关键的低维混沌的分布是不均匀的,生成的序列也不稳定。因此,一些高维混沌系统出现7,8)和一个新超混沌系统研究[9]。它能产生混沌吸引子的multiring和multiwing,使其复杂的动态行为。此外,超混沌系统范围更广泛的混乱和更好的遍历性,这对图像加密是非常有利可图的。它可能是一个理想的策略采用多个混沌系统在单一图像加密系统(10- - - - - -12]。有效地应用复合混沌系统的优点和继承其随机性,有必要仔细设计混乱和扩散的框架。
匆忙可能摧毁相邻像素之间的强相关性。相当多的图像加密算法混沌系统产生的随机序列排序,然后图像像素的位置重新排列和一群指数数字。然而,简单的索引映射到密文图像像素可能忽略一些不动点(一个接一个13]。此外,它已被指出,周期性和排列传统建筑的低效率可能不符合安全要求(14- - - - - -16]。因此,有必要进一步研究策略。Shahna给置换策略在像素级和水平,这使得加密算法复杂,实现高性能的随机排列(17]。西安建造了一个分形排序矩阵扰乱明文图像中的元素(18]。无序分类矩阵可以灵活来自最初的块大小,它是安全的在图像加密。复杂地过程,王明文图像分割成四个区块和执行不同程度的Arnold变换(19]。此外,可以改变像素值的统计规律的有效扩散算法(20.,21]。龚采用混沌序列直接XOR压缩明文(22]。图像可能部分透露,因为解密无关的像素之间不会互相影响(23]。因此,Mirzaei密码体制提出了一个新的扩散方法,其中明文图像分成4子图象。每个加密之前的子图象的像素参与接下来的子图象像素的操作(24]。更有效地隐藏明文的统计结构,专家Sheela交替使用两级传播运营和像素变换在图像加密系统。在第一个扩散级别,每个像素处理两个点相对于它在混沌矩阵中的位置,而下一个级别是由前4像素(25]。尽管扩散操作更复杂,一个微小的改变像素只能影响后者的(14,26]。一旦扩散序列得到,4像素在相反的顺序可以解密。
也有大量的图像加密算法将混沌理论与DNA计算(27- - - - - -32]。这些图像加密算法的内核与DNA编码图像像素编码规则,然后进行生物和代数操作的编码序列。这些操作包括DNA加法和减法和基地互补的规则。例如,剑明文图像编码和生成的面具的逻辑映射,然后添加一个DNA加法规则。随后,一个矩阵是用来补充执行基本互补的规则,最后获得了加密图像的DNA解码规则(27]。它可能更有利于把DNA与陈的超混沌系统在一个图像复合加密机制(28]。然而,DNA计算规则中使用的图像加密算法没有精心设计的。即使算法是非常敏感的,其安全仍然是可疑的被动攻击下,和讨论的cryptanalyses29日,30.在[]证明了算法28)是容易chosen-plaintext攻击。有两个主要的安全问题与一般操作使用。一是所有的DNA操作都是基于二进制计算,和编码结果可能很容易预测四个DNA碱基。另一个是DNA编码规则是固定的,这是不利于图像加密算法的安全性。因此,Yu阐述dna图像加密的删除和插入操作来更新计算模式(31日),两个图像被认为是关键,加强图像密码系统的安全性。杨解释说三个12层的DNA分子上的DNA突变操作(32]。改进的洛伦茨序列被操作夹层和分子内的突变,这最后的突变是随机的和不可预测的结果。
在这篇文章中,一个新的混乱块加密编码机制将会调查,其中包含rectangular-ambulatory-plane循环移位和双向随机无序。每个子块的戒指可以动态地管理在循环移位,像素可以随机选择和插入在双向随机无序。此外,闭环扩散策略可以形成一个反馈机制中关键块,明文图像,密文图像。为了进一步改变密文块的特性,两种DNA分子突变规则理论的基础上采用生物变异。
本文余下部分的结构如下:部分中解释一些基本工具2。在第三节、密钥生成、加扰和闭环扩散算法,和整个图像加密过程是居住。第四节提供仿真结果和绩效评估。一个简短的结论是在部分5。
2。基础知识
2.1。仿射变换
仿射变换是线性变换的二维坐标,可扩展/收回图像任何角度和方向。仿射变换的一般类型 在哪里 是初始坐标,然后呢 后的坐标变换。 , , ,. ., ,和仿射变换的参数。
2.2。混沌系统
2 d logistic-sine-coupling地图(2 d-lscm)是由物流地图结合正弦映射到设计提高混沌行为的复杂性,控制参数属于和原来的位置 更新到新位置在哪里 ,
2 d logistic-adjusted-sine地图(2 d-lasm)是一个集成的两个一维正弦物流调制映射(33]。它的系统参数范围从0到1。
Henon地图是一个动力在离散时间混沌系统,如方程(4)。如果参数和Henon地图的和 ,分别时,它变成一个混乱的状态,
2.3。希尔伯特曲线
作为一个空间填充曲线,希尔伯特曲线可以用作扫描工具扫描整个点 飞机通过连续四分法34]。扫描路径从正确的底部,通过右顶部和左前和结束离开底部的每平方。希尔伯特曲线是一个很好的洗牌工具来获得一个炒的形象。图1显示了希尔伯特曲线,绘制的块大小 , 和 ,分别。
(一)
(b)
(c)
2.4。DNA编码规则
之间的互补配对规则四个碱基互补的DNA类似于0和1的双星系统。如果每个nucleobase由两位数的二进制表示,将会有24种编码规则。自DNA互补的限制规则应该考虑,只有8都是可以接受的。记录在表8的编码规则1。
2.5。DNA分子的突变
两种DNA变异规则研究了基于基因突变破坏图像的统计规律。第一个是动态点替换根据规则基础颠换和基地的转变。一个随机序列被用来构建突变环境和规则是列在表中2。点替换时只能执行随机值范围从0到3。其他DNA突变之间的交叉变异相邻链,交换的起点是随机的。图2展示了交换模式的出发点是在中间交换链。
3所示。提出了图像加密方案
3.1。代的随机序列
拥有一个优秀的能力对微分攻击,混沌系统的原始值限制MD5散列值和奇偶量化值的明文图像。32位16进制流的关键产生的MD5哈希函数分为16组,表示为 , , 在哪里将一个十六进制数转化为十进制整数。的总和表示为 。的奇偶性质明文图像 偶数和奇数的数字在明文图像表示为整数吗和 ,分别;和奇数和偶数的平均值,分别。然后,初始值计算 在哪里 意味着 。 , , , , ,和是初始值。三个混沌系统与相应的迭代时间和1000年前迭代元素被丢弃,避免所谓的瞬态效应。的具体参数值收集表3。
3.2。块和闭环扩散
块加扰的机制和闭环构造扩散洗牌预处理模块和分散炒块链接系统。整个过程可以表示为 在哪里是块加扰和闭环扩散函数; , , ,和是四个随机序列;预处理明文块集和存储单元阵列的尺寸吗 ,在哪里设置为16。的子块的单元阵列可以贴上 。块地的流程图和闭环扩散是显示在图3。给出具体过程如下:步骤1。Rectangular-ambulatory-plane切割:每个子块的戒指提取并存储在吗 。的环的子块可以表示成 ,在哪里属于 。步骤2。四个序列 , , ,和的长度选择从和元素 , , ,和都转化成整数 。控制序列的长度从更新 。当数量小于 ,是更新的 ;否则,它更新 。步骤3。每个环上的执行rectangular-ambulatory-plane循环移位操作, 在哪里 是一个函数的双向循环移位操作。是一个环操作,确定的转变时期,和戒指顺时针方向旋转时 。 是炒环。在每个环重复循环移位操作之后,一块集是生成的。步骤4。和均匀分成块,然后每个区块都安排在一个升序屈服吗和 ,分别。相应的索引块集和 。步骤5。双向随机无序:每个子块由双随机块炒集。具体操作是 在哪里 ; 和对应于像素和 ,分别;指的是像素提取位置的 ,然后所有提取的像素被放置到一个新的块在一个随机的位置 。步骤6。两个关键块集和在的范围与生成和 。整个密文区块扩散的 在哪里是子块当所有的子块的像素更新。步骤7。随后子块之间的扩散操作执行。然后,最终的密文块集获得执行闭环扩散后操作。
存在一些突出了在上面的步骤。首先,关键块与明文图像相关联,以及提出rectangular-ambulatory-plane循环移位的充分优势混沌序列的随机性和打乱每一块高效。此外,双随机块映射规则可以实现像素提取和插入随机在同一时间。最终,扩散后块是相互关联的。整个混乱和扩散操作可以加强块加密过程的安全性。
3.3。基于块的图像加密方案匆忙,闭环扩散和DNA分子突变
在图像加密方案,提出一个全球地工具,扫描方法首先采用。随后,描述的策略2.5节将执行和密文图像后将获得变异操作。加密步骤详细如下。步骤1。MD5哈希函数和平价公式采用明文图像的大小 生成一个密钥流。描述的方法3.1节利用秘密密钥流成几个混沌系统初始阀使用。六个随机序列 , , , , ,和根据参数生成表吗3。步骤2。全球混乱:仿射变换是利用争夺明文图像为时间和生成一个初步炒的形象 。步骤3。 是均匀地分成 子块。这些子块被视为点扫描,然后打乱块集获得与希尔伯特矩阵。步骤4。步骤1 - 73.2节执行完成块加扰和闭环中扩散操作块准备好了吗并获得一组4块 。第5步。关键块是随机选择的提取两个区块位于和在 。然后,提取子块转换为8位块和 ,分别。他们随后拼接 , 在哪里 。步骤6。二进制序列DNA编码成一个矩阵的大小 ,DNA和DNA编码规则采用编码操作 。步骤7。随机序列利用构造环境点替换可以用方程计算(14), 。然后,DNA分子替换的DNA突变规则表中列出2。替换后,DNA矩阵更新…… 步骤8。序列计算与方程(15)是集 并利用确定cross-mutation的起点, 垂直相邻的DNA链将随机交换 。例如,和相邻列 ,和分子的点来交换。这个过程表示为 在哪里 的值是一个函数来交换吗和 。执行cross-mutation手术后对整个邻列 ,DNA矩阵是获得。步骤9。DNA的块组转换成小数的DNA解码规则吗 。第10步。重复步骤5到9直到遍历所有子块,然后最后4形象整个4块拼接后获得的。
可以解密加密的图像加密算法的逆过程,并总结了加密和解密过程图4。
4所示。仿真结果和性能分析
验证的可靠性和安全性,提出了基于块的图像加密方案匆忙,闭环扩散,和DNA分子突变,一系列数值试验与测试图像的大小 在这一节中进行。
4.1。加密和解密结果和质量评估
数据5(一)-5(c)显示明文图像“桥”,“伊莲”和“鸟”。列出相应的加密和解密结果数据5(d) -5(我)。视觉,密文图像揭示没有原始的信息,和数字5(g) -5(我)显示他们可以解密宿舍。评价加密和解密图像的保真度,峰值信噪比(PSNR)和结构相似度指数度量(SSIM) [35), 在哪里 , 表示两个对比图片和 , 代表图像尺寸, 在哪里 和 是图片的意思吗和 ,分别和是图像的方差,是他们的协方差。常量 和 可以获得的 和 的动态范围的形象。几乎是相同的,如果两个图像的PSNR值将方法无穷和SSIM值方法1。因此,从加密的结果显示在表中4,加密图像严重干扰和PSNR和SSIM结果解密图像表示,没有明显的数据丢失。换句话说,设计了基于块不规则的图像加密方案,闭环扩散,DNA分子突变可以有效的加密和解密图像。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(我)
4.2。统计分析
4.2.1。准备柱状图分析
明文图像的直方图“夫妇”,“相机”和“辣椒”分别提出了数字6(b) -6(j),而相应的密文图像的直方图在数字展出6(d) -6(左),加密后的直方图平滑无峰值。这得益于设计了闭环块扩散方案和变异操作,可以将像素值均匀范围从0到255。为了进一步验证直方图均匀性,采用卡方检验和相应的结果记录在表中5。 在哪里是加密图像的观测频率水平和代表预期的一个。从理论上讲,时不应超过293.2478的概率是5%。结论,对攻击者来说是不切实际的获得相应的明文图像的直方图分析攻击,因为所有测试加密图像的直方图是光滑,毫无特色。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(我)
(j)
(k)
(左)
4.2.2。相邻像素的相关系数
相邻像素之间的相关性高的密文图像会增加被破解的风险(13]。检查明文和密文之间的相关性,10000对像素是任意选择的。作为显示在图7的散点图明文图像看起来像一个线性分布和邻近的像素是高度相关的。执行该策略后的混乱、扩散和DNA突变,位置和像素的值是随机改变和充分。因此,相应的密文图像的像素几乎均匀地分散在飞机上。从表可以看出6和7我们的计划更有效地降低相关,可以站起来统计分析攻击。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
4.2.3。信息熵
香农熵是一种常用的指标评价的随机性, 在哪里是指随机灰度值的概率 。然而,与局部熵(41),全球香农熵是在评估的统一性不足。局部熵是全球夏侬熵的样本平均值的1936像素从30不重叠的图像块,哪个更准确、一致和有效。全局和局部熵的结果与我们的图像加密方案是在桌子上展出8,这是非常接近8位。基于上述分析,信息熵分析攻击我们的提出的图像加密方案是无效的。
4.3。敏感性分析
4.3.1。关键的灵敏度分析
对关键敏感,稍微改变下仿真实验执行正确的钥匙。在图8,解密图像噪音的,不会透露任何有意义的信息。关键的准确性会严重影响图像解密。因此,提出了基于块的加密方案匆忙,闭环扩散和DNA分子突变可以抵抗强力攻击成功。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
4.3.2。密钥空间分析
详尽的攻击可能威胁到密码系统安全,但关键空间扩张系统将很难击败。在该算法中,初始值 , , , ,和对混沌系统是主要的钥匙。这些初始值都在指定和仿真结果表明,上述密钥空间的计算精度或 。完全,设计了图像加密方案的密钥空间 ,这比的密钥空间大42]。因此,蛮力攻击是行不通的基于块不规则的图像加密方案,提出闭环扩散和DNA分子突变。
4.3.3。差攻击分析
像素的数量变化率(NPCR)和统一的平均变化强度(UACI)应用于评估图像加密系统的敏感性和微分攻击抵抗, 在哪里和密文图像的尺寸吗 正常的测试图像和对应一个像素改变测试图像。NPCR值和各种测试图像的UACI值列在下表中9和10与“辣椒编译其他方案的结果。“结果是接近理想值,表明该像素改变加密结果有很大的影响。科提出的图像加密策略可以抵抗差分攻击。
4.4。受到攻击的鲁棒性分析
4.1.1。Chosen-Plaintext攻击
在我们的方案中,密钥流与明文。它由MD5哈希值和明文图像的量化值。换句话说,明文的微小变化将有一个很大的影响在整个图像加密系统,在设计闭环扩散算法,密文块相互连接的关键模块和明文块。因此,连杆系统形成,不仅无效微分攻击而且chosen-plaintext无效。除此之外,两个随机选择的子块之间的突变进行非线性操作,这使攻击者无法获得正确的钥匙。总之,呈现的图像加密系统是非线性的和整个加密块高度相互关联,使chosen-plaintext攻击免疫。
10/24/11。高斯噪声攻击
假设被建模为高斯噪声攻击 在哪里加密图像受噪声影响和吗是正常的加密的,是标准正态分布的高斯白噪声,和是噪声强度。图9显示仿真结果当“相机”是由不同强度的高斯白噪声污染。其主要信息仍可见随着噪声强度的增加,和均方误差曲线如图10表明该图像加密方案是高斯白噪声免疫攻击在某种程度上。
(一)
(b)
(c)
(d)
4.4.3。椒盐噪声攻击
加密“相机”添加盐和胡椒噪声不同的方差0.01,0.05,0.07,和0.1,分别。测试结果如图(11日)- - - - - -11 (d),它可以验证提出的基于块不规则的图像加密技术,闭环扩散和DNA分子变异有一定的盐和胡椒噪声攻击下抗干扰能力。
(一)
(b)
(c)
(d)
4.4.4。阻塞攻击
实验与不同区段的数据丢失“伊莲”,和解密图像上执行后种植在不同的位置或尺寸如图12(一)-12(d),解密图像的像素替换为0。设计操作,rectangular-ambulatory-plane循环移位和双向随机无序,由级联混沌系统控制。他们会重新排列图像像素随机,使解密结果相同大小的种植在不同位置相似。视觉上,加密图像如图12还含有一般信息随着采伐面积的增加。因此,提出对裁剪图像加密系统具有一定的鲁棒性攻击。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
4.5。计算复杂性和执行时间
图像加密算法的计算复杂度将大大影响了执行时间。为此,进行了复杂性分析的主要加密算法模块。总复杂性块地和闭环扩散模块。具体来说,rectangular-ambulatory-plane循环移位操作执行8环和复杂性 。随后的双向随机无序操作将遍历所有图像的像素,其复杂性 。intrablock扩散,扩散段语句的复杂性和 ,分别。总DNA突变模块的复杂性 。编码和解码过程的复杂性 。二进制子块的连接操作的复杂性和十进制的转换矩阵和 ,分别在子块和突变的复杂过程 。算法的计算时间与程序设计、操作环境,等等。该图像加密算法在MATLAB下进行(版本R2016a)在电脑上与10 8 GB RAM和窗户。块地的在我们的方案中,操作和闭环扩散只需要一轮加密,售价0.200 s, DNA变异过程需要14.147秒。因为每个选定的子块的编码和解码规则是不同的,涉及更多的迭代,所以需要更长的时间执行时间。完整的加密过程需要16.906秒,这是可以接受的实时图像加密方案也应该为某些情况下减少。
5。结论
一种新颖的安全与块不规则图像加密方案,闭环扩散,DNA分子变异的策略。在块地阶段,rectangular-ambulatory-plane循环移位和双向随机无序争夺预处理块完全利用,和相关系数的结果表明,我们的计划更有效地继承了混沌序列的随机性。反馈机制的扩散阶段是采用一块新的闭环扩散策略,使对差分攻击的能力。最后加密图像获得的DNA分子变异操作。不同类型的仿真实验和理论分析表明,所提出的图像加密方案具有较强的可靠性和高安全性。
数据可用性
上可用的数据可以请求从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作得到了国家自然科学基金(批准号62041106和62041106),应用研究江西省的培养计划(批准号20181 bbe58022),江西省教育部门的研究基金会(批准号GJJ190203)。