本發(fā)明涉及圖像信息安全，具體涉及一種基于dna動(dòng)態(tài)編碼與生物超混沌耦合的圖像加密方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、圖像作為信息傳遞的重要載體，在醫(yī)療、金融等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。然而，圖像數(shù)據(jù)在傳輸和存儲(chǔ)過程中面臨著嚴(yán)重的安全威脅，如數(shù)據(jù)泄露、篡改和非法訪問等。因此，圖像加密技術(shù)成為保障圖像信息安全的關(guān)鍵手段之一。

2、現(xiàn)有的圖像加密方法主要依賴于傳統(tǒng)對(duì)稱加密算法（如aes、des）或混沌系統(tǒng)（如logistic映射、henon映射）。這些方法雖然提供了一定程度的保護(hù)，但存在明顯不足：1）傳統(tǒng)加密算法對(duì)圖像固有的統(tǒng)計(jì)特性（如像素間強(qiáng)相關(guān)性、非均勻直方圖分布）隱藏效果有限，易遭受統(tǒng)計(jì)分析攻擊；2）基于數(shù)學(xué)變換的加密方法在處理高分辨率、大數(shù)據(jù)量圖像時(shí)，計(jì)算復(fù)雜度高，難以滿足實(shí)時(shí)應(yīng)用需求；3）部分低維混沌系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為相對(duì)簡(jiǎn)單，密鑰空間有限，可能被暴力破解或預(yù)測(cè)。

3、近年來，dna（脫氧核糖核酸）編碼技術(shù)憑借其巨大的信息存儲(chǔ)密度和潛在的并行計(jì)算能力，被引入圖像加密領(lǐng)域。通過將像素值映射為dna堿基序列（a、t、c、g），并結(jié)合混沌系統(tǒng)的隨機(jī)性，可以設(shè)計(jì)出更為復(fù)雜的加密方案。同時(shí)，超混沌系統(tǒng)，如具有多個(gè)正李雅普諾夫指數(shù)的系統(tǒng)（例如適應(yīng)性果蠅-寄生蜂模型），因其更復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)行為、更高的敏感性和更大的密鑰空間，被認(rèn)為能進(jìn)一步提升加密算法的安全性。

4、然而，當(dāng)前基于dna編碼和混沌/超混沌系統(tǒng)的圖像加密方法仍存在一些問題：1、許多方法采用固定的dna編碼規(guī)則和運(yùn)算規(guī)則，缺乏動(dòng)態(tài)性，一旦規(guī)則泄露，安全性將大打折扣；2、部分算法對(duì)于高級(jí)密碼分析攻擊，如差分攻擊和已知明文攻擊，抵抗能力仍有待加強(qiáng)；3、現(xiàn)有方法往往采用統(tǒng)一的加密流程，未能根據(jù)不同圖像的特性進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，限制了其普適性和最優(yōu)性能。

5、因此，迫切需要研發(fā)一種新的圖像加密方法，該方法應(yīng)能克服現(xiàn)有技術(shù)的局限，提供更高的安全性、更強(qiáng)的抗攻擊能力、更好的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性，并兼顧計(jì)算效率，以滿足日益增長(zhǎng)的高安全圖像保護(hù)需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于dna動(dòng)態(tài)編碼與生物超混沌耦合的圖像加密方法及系統(tǒng)，旨在實(shí)現(xiàn)高效、安全且具有強(qiáng)適應(yīng)性的圖像加密。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種技術(shù)方案，其核心思想在于：

3、第一方面提供了一種基于dna動(dòng)態(tài)編碼與生物超混沌耦合的圖像加密方法，所述方法包括：

4、獲取原始彩色圖像進(jìn)行預(yù)處理，所述預(yù)處理包括分塊和補(bǔ)零操作；

5、利用第一混沌系統(tǒng)和第二混沌系統(tǒng)生成多組混沌序列，其中所述第二混沌系統(tǒng)為適應(yīng)性果蠅-寄生蜂四維超混沌系統(tǒng)；

6、基于所述多組混沌序列中的至少一部分，動(dòng)態(tài)選擇dna編碼規(guī)則、dna運(yùn)算規(guī)則和dna解碼規(guī)則；所述dna編碼規(guī)則包含多種將像素值或中間數(shù)據(jù)映射為dna堿基序列的預(yù)設(shè)規(guī)則；所述dna運(yùn)算規(guī)則包含多種基于dna堿基的預(yù)設(shè)運(yùn)算邏輯；

7、根據(jù)所述dna編碼規(guī)則，對(duì)預(yù)處理后的原始彩色圖像進(jìn)行dna編碼，得到第一dna序列矩陣；

8、根據(jù)所述dna編碼規(guī)則，對(duì)所述多組混沌序列中的至少另一部分生成的混沌矩陣進(jìn)行dna編碼，得到第二dna序列矩陣；

9、根據(jù)所述dna運(yùn)算規(guī)則，對(duì)所述第一dna序列矩陣和所述第二dna序列矩陣進(jìn)行逐元素運(yùn)算，得到運(yùn)算后的dna序列矩陣；

10、根據(jù)所述dna解碼規(guī)則，對(duì)所述運(yùn)算后的dna序列矩陣進(jìn)行dna解碼，得到初步加密數(shù)據(jù)；

11、基于所述多組混沌序列中的至少再一部分，對(duì)所述初步加密數(shù)據(jù)進(jìn)行置亂操作，得到最終加密圖像。

12、作為第一方面的一種可選實(shí)施方式，所述第一混沌系統(tǒng)為logistic混沌系統(tǒng)，用于生成偽隨機(jī)矩陣；所述第二混沌系統(tǒng)為適應(yīng)性果蠅-寄生蜂四維超混沌系統(tǒng)，用于生成至少四維的超混沌序列。

13、作為第一方面的一種可選實(shí)施方式，所述適應(yīng)性果蠅-寄生蜂四維超混沌系統(tǒng)由以下狀態(tài)方程定義：

14、果蠅：

15、幼蟲寄生蜂：

16、蛹寄生蜂：

17、宿主防御性狀：

18、其中，和分別表示時(shí)刻和時(shí)刻的果蠅，表示時(shí)刻的幼蟲寄生蜂，表示時(shí)刻的蛹寄生蜂，和分別表示時(shí)刻和時(shí)刻的宿主防御性狀，；，且增長(zhǎng)率 r與宿主防御性狀 θ存在權(quán)衡，即；，表示 y對(duì) x的寄生作用，即；，表示 z對(duì) x的寄生作用，即；模型參數(shù)：、表示生長(zhǎng)-防御權(quán)衡系數(shù)，表示形狀參數(shù)，、表示寄生者攻擊行為的聚集度，、表示寄生蜂搜索率，、表示果蠅繁殖率，表示果蠅種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)，表示防御突變率。

19、作為第一方面的一種可選實(shí)施方式，所述預(yù)處理步驟中，分塊大小為預(yù)設(shè)尺寸，補(bǔ)零操作在圖像邊緣補(bǔ)充像素值，使得圖像的行數(shù)和列數(shù)均為分塊尺寸的整數(shù)倍。

20、作為第一方面的一種可選實(shí)施方式，所述dna編碼規(guī)則包含至少8種不同的映射規(guī)則，將8位像素值或數(shù)據(jù)映射為由a、t、c、g組成的dna堿基序列；所述dna運(yùn)算規(guī)則包含至少4種不同的運(yùn)算邏輯，所述運(yùn)算邏輯包括dna加法、dna減法、dna異或以及dna同或。

21、作為第一方面的一種可選實(shí)施方式，基于所述多組混沌序列中的至少一部分，動(dòng)態(tài)選擇dna編碼規(guī)則、dna運(yùn)算規(guī)則和dna解碼規(guī)則的步驟包括：利用第一超混沌序列確定對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行dna編碼的規(guī)則，利用第二超混沌序列確定對(duì)混沌矩陣進(jìn)行dna編碼的規(guī)則，利用第三超混沌序列確定dna運(yùn)算規(guī)則，利用第四超混沌序列確定dna解碼規(guī)則。

22、作為第一方面的一種可選實(shí)施方式，所述置亂操作為行列置亂，包括：基于所述多組混沌序列中的至少再一部分生成行置亂索引序列和列置亂索引序列；根據(jù)所述行置亂索引序列對(duì)初步加密數(shù)據(jù)的行進(jìn)行重排序；根據(jù)所述列置亂索引序列對(duì)行重排序后的數(shù)據(jù)的列進(jìn)行重排序。

23、本技術(shù)的第二方面提供了一種基于dna動(dòng)態(tài)編碼與生物超混沌耦合的圖像加密系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

24、圖像預(yù)處理模塊，用于獲取原始彩色圖像進(jìn)行預(yù)處理，所述預(yù)處理包括分塊和補(bǔ)零操作；

25、混沌序列生成模塊，用于利用第一混沌系統(tǒng)和第二混沌系統(tǒng)生成多組混沌序列，其中所述第二混沌系統(tǒng)為適應(yīng)性果蠅-寄生蜂四維超混沌系統(tǒng)；

26、dna動(dòng)態(tài)編解碼與運(yùn)算模塊，用于基于所述多組混沌序列中的至少一部分，動(dòng)態(tài)選擇dna編碼規(guī)則、dna運(yùn)算規(guī)則和dna解碼規(guī)則；所述dna編碼規(guī)則包含多種將像素值或中間數(shù)據(jù)映射為dna堿基序列的預(yù)設(shè)規(guī)則；所述dna運(yùn)算規(guī)則包含多種基于dna堿基的預(yù)設(shè)運(yùn)算邏輯；根據(jù)所述dna編碼規(guī)則，對(duì)預(yù)處理后的原始彩色圖像進(jìn)行dna編碼，得到第一dna序列矩陣；根據(jù)所述dna編碼規(guī)則，對(duì)所述多組混沌序列中的至少另一部分生成的混沌矩陣進(jìn)行dna編碼，得到第二dna序列矩陣；根據(jù)所述dna運(yùn)算規(guī)則，對(duì)所述第一dna序列矩陣和所述第二dna序列矩陣進(jìn)行逐元素運(yùn)算，得到運(yùn)算后的dna序列矩陣；根據(jù)所述dna解碼規(guī)則，對(duì)所述運(yùn)算后的dna序列矩陣進(jìn)行dna解碼，得到初步加密數(shù)據(jù)；

27、置亂模塊，用于基于所述多組混沌序列中的至少再一部分，對(duì)所述初步加密數(shù)據(jù)進(jìn)行置亂操作，得到最終加密圖像；

28、輸出模塊，用于輸出最終加密圖像。

29、本技術(shù)的第三方面提供了一種電子設(shè)備，包括：處理器；用于存儲(chǔ)所述處理器可執(zhí)行指令的存儲(chǔ)器；其中，所述處理器被配置為執(zhí)行所述可執(zhí)行指令，以實(shí)現(xiàn)上述一種基于dna動(dòng)態(tài)編碼與生物超混沌耦合的圖像加密方法的步驟。

30、本技術(shù)的第四方面提供了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，當(dāng)所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)中的指令由電子設(shè)備的處理器執(zhí)行時(shí)，使得所述電子設(shè)備能夠執(zhí)行上述一種基于dna動(dòng)態(tài)編碼與生物超混沌耦合的圖像加密方法的步驟。

31、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本技術(shù)提供了一種基于dna動(dòng)態(tài)編碼與生物超混沌耦合的圖像加密方法，具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：

32、1、高安全性：耦合使用了生物超混沌系統(tǒng)，其復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)行為和大的密鑰空間顯著增強(qiáng)了加密系統(tǒng)的抗預(yù)測(cè)性和抗暴力破解能力。李雅普諾夫指數(shù)分析驗(yàn)證了其超混沌特性。

33、2、動(dòng)態(tài)適應(yīng)性（一圖一密）：dna編碼規(guī)則和運(yùn)算規(guī)則由混沌序列動(dòng)態(tài)選擇，使得加密過程對(duì)初始密鑰和明文圖像內(nèi)容高度敏感。即使使用相同的密鑰加密不同的圖像，或加密同一圖像的不同部分，實(shí)際執(zhí)行的加密變換也不同，有效抵抗已知明文攻擊和選擇明文攻擊。

34、3、強(qiáng)抗統(tǒng)計(jì)分析能力：結(jié)合了擴(kuò)散（dna運(yùn)算）和混淆（置亂）過程，加密后的圖像像素值分布趨于均勻，相鄰像素相關(guān)性大幅降低（接近于0），有效抵抗基于圖像統(tǒng)計(jì)特性的攻擊。性能測(cè)試（如信息熵接近理論最大值8，相關(guān)系數(shù)極低）證明了這一點(diǎn)。

35、4、抗裁剪魯棒性：行列置亂步驟將像素位置打亂，使得即使部分密文數(shù)據(jù)丟失或被篡改（裁剪攻擊），對(duì)解密后圖像整體質(zhì)量的影響也被分散，提高了容錯(cuò)性。

36、5、規(guī)則多樣性：提供了多達(dá)8種編碼規(guī)則和4種運(yùn)算規(guī)則，增加了加密變換的復(fù)雜度和隨機(jī)性。

37、本技術(shù)的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本技術(shù)的實(shí)施例了解到。