基于混沌与DNA编码的图像加密算法研究

作     者：张天朔 

作者单位：海南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周晓谊

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 08[工学] 070201[理学-理论物理] 081201[工学-计算机系统结构] 0702[理学-物理学] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：图像加密 退火算法 混沌系统 压缩感知 DNA编码 

摘      要：数字图像是一种重要的数据传播载体,广泛应用于企业、医疗、军事等各个领域的信息传输中。然而随着网络开放性和共享性的提高,机密图像在传播过程中受到的篡改、窃取等恶意攻击的概率不断增加,给信息安全带来了很大的挑战。因此,对数字图像的安全保护已成为当前研究的一个重要方向。图像加密是保护数字图像机密性和完整性的重要手段之一。但计算设备的不断更新和计算效率与性能的持续提升,对于图像加密算法的安全性和加密结果的不可破解性提出了新的要求。特别是在大数据时代的背景下,如何降低传输成本的同时有效地抵抗或识别图像传输中的攻击,引起了越来越多研究人员的关注。为了解决上述问题,本文提出了两种图像加密方案,分别结合模拟退火和压缩感知(Compression sensing,CS)等技术,满足了数字图像传播过程中对安全性的不同需求。本文的研究工作主要如下:(1)提出了一种基于多重随机DNA编码和退火的图像加密算法(Image Encryption Algorithm Based on Multiple Random DNA Coding and Annealing Algorithm,MRDESA),采用混沌像素随机变化的方法进行图像处理。使用Logistic-Logistic混沌(Logistic-Logistic Chaos,LLC)增加纹理和加密编码方法的多样性,以实现更大的参数选择范围和更好的随机性。为提高编码过程的随机性和安全性,随机选择每个可变像素的多种DNA编码方法,并对其进行操作编码。经过像素变异、置乱和扩散后,对密文图像的信息熵、像素相关性和X值赋予不同权值,并进行退火迭代,以获得不同的加密过程和良好的加密结果。该算法可以应用于不同类型的图像,以实现更好的加密效果从而更好地保护图像安全性。(2)提出了一种基于置换有序二进制数系统(Permutation Ordered Binary Number System,POB)数字系统和CS的多随机彩色医学图像和语音加密方案。该方案采用混沌系统对像素进行比特级多随机置乱,同时实现了像素位置和像素值的改变。对医学图像进行压缩感知,以降低传输成本,并通过POB编码将图像嵌入音频中,实现了图像与音频的融合。加密的音频可以高质量恢复,加密的医学图像可以根据不同的要求以高质量或无损的形式恢复。具有不同权限的密文图像接收者可以根据不同的密钥恢复原始图像或原始音频,以最大程度地保护患者的隐私。