一种基于6维混沌系统的彩色图像一次性密钥DNA加密方法

摘要

本发明涉及图像处理与信息安全领域，具体涉及一种基于6维混沌系统的彩色图像一次性密钥DNA加密方法。本发明对于明文彩色像素图像P为.bmp格式，图像尺寸为M×N，提取图像的三色通道矩阵分别构成三个M×N的矩阵PR，PG，PB；产生一个随机数R，求取32位十六进制图像散列值MD5，MD5＝MD(P,R)；将MD5平均分成8份，将MD归一到(0,0.01)之间。本发明提供一种基于6维混沌系统的彩色图像一次性密钥DNA加密方法。引入了散列值和绝对误差概念，使加密算法与图像明文相联系，有效提升了算法安全性；本发明引入了DNA序列像素值调整和图像三通道耦合运算，有效降低了加密算法复杂程度，极大降低了密文像素值之间的相关性，提高了密文抗攻击特性，加密效果好，安全性高。

说明书

技术领域

本发明涉及图像处理与信息安全领域，具体涉及一种基于6维混沌系统的彩色图像一次 性密钥DNA加密方法。

背景技术

近年来，随着网络技术和数字技术的快速发展，数字通信技术有了很大的提高。互联网 多媒体信息的传输变得越来越频繁，其中包括了文字信息以及图像信息。这些信息可能包含 个人的隐私信息、公司的机密信息，甚至是国家的安全信息。网络的多样性决定了信息安全 威胁的存在，这些信息中大约70％是以数字图像信息的形式出现的。这些图像信息在传输过 程中经常会遭到信息窃取、数据篡改等人为攻击，使信息发送者和信息接收者遭受巨大的损 失。

图像信息本身具有数据量大，数据间相关度高等特点，传统的针对纯文本信息的加密方 法，如数据加密标准(DES)、国际数据加密算法、非对称加密算法RSA等，并不完全适合图像 加密。由于混沌系统具有密钥空间大、初值敏感性、非周期性、非线性以及不可预测性等特 点，基于混沌的图像加密方法在安全性、适应性上具有优势，近年来得到了广泛的研究。

目前，图像加密算法主要有基于混沌系统的加密算法、基于空间域的加密算法、基于变 换域的加密算法。使用一般算法，直接对图像进行操作，加密密钥与明文信息无关，难以抵 抗已知明文攻击。采用一次密钥，即散列值MD5，可有效将加密密钥与明文建立联系，提高 系统安全性。使用一般像素值调整操作，并行度不高，容易遭受攻击。采用DNA序列进行像 素值调整，能有效提高系统并行度，实现规模巨大的并行运算，提升系统运行速度；DNA存 储容量巨大，能有效提升密钥空间，提高系统抗攻击性。

此外，常用混沌加密算法多采用低维混沌系统或多混沌系统并用，存在密钥空间小或加 密算法对密钥敏感性不强等缺点，采用高维混沌系统，可有效克服这一缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于6维混沌系统的彩色图像一次性密钥DNA加密方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)对于明文彩色像素图像P为.bmp格式，图像尺寸为M×N，提取图像的三色通道矩 阵分别构成三个M×N的矩阵P_R，P_G，P_B；

(2)产生一个随机数R，求取32位十六进制图像散列值MD5，

MD5＝MD(P,R)；

(3)将MD5平均分成8份，即MD(j)＝{d_j1d_j2d_j3d_j4},j＝1,...,8，将MD归一到(0,0.01) 之间，

D(i)＝hex2dec(MD(i)),i＝1,...,8；

(4)从D中任意选取4个数{D(1),D(3),D(6),D(7)}并求和得到

s₁＝D(1)+D(3)+D(6)+D(7)，

依次类推求取s₂,s₃,s₄,s₅,s₆，获取绝对误差序列ε＝{ε₁,ε₂,ε₃,ε₄,ε₅,ε₆}，如果 s_i×100mod2＝0，则ε_i取+；否则，ε_i取-，

      ${ϵ}_i=\pm s_i+\underset{j=1}{\overset{8}{\Sigma }}D\left(j\right),i=\mathrm{1,2},...,6;$      

(5)获取更新后的6维混沌系统初始参数x′_i0,i＝1,2,...,6，代入6th-CNN高阶混沌系统迭 代m+3MN次，去除前m个值获取混沌序列Y＝{y₁,y₂,y₃,y₄,y₅,y₆}，

x_i′＝x_i0+ε_i,i＝1,2,...,6，

y_i＝x_i×10¹⁴mod256,i＝1,2,...,6；

(6)用MD5最后一位计算t＝MD5(32)mod6+1，取y_t的前3M位得到行置乱序列1×3M 的TN₁；取y_t+1mod6+1得到列置乱序列M×3N的TN₂；取y_t+2mod6+1的前M×N位并得到明文DNA 译码规则序列1×MN的TN₃；取y_t+3mod6+1，y_t+4mod6+1和y_t+5mod6+1的前2M×N位，奇数项获取译 码规则1×MN的TN₄₁,TN₅₁,TN₆₁，偶数项获取三通道混沌加密预处理序列1×MN的 TN₄₂,TN₅₂,TN₆₂

TN＝ymod8+1；

(7)将明文P_R,P_G,P_B的每个像素点值转化为8位二进制数，将其每2位为一组，依据TN₃进行DNA译码，7.1)若TN₃(i)＝1，则00＝A,11＝T,10＝C,01＝G；7.2)若TN₃(i)＝2，则 00＝A,11＝T,01＝C,10＝G；7.3)若TN₃(i)＝3，则11＝A,00＝T,10＝C,01＝G；7.4)若 TN₃(i)＝4，则11＝A,00＝T,01＝C,10＝G；7.5)若TN₃(i)＝5，则10＝A,01＝T,00＝C,11＝G； 7.6)若TN₃(i)＝6，则01＝A,10＝T,00＝C,11＝G；7.7)若TN₃(i)＝7，则 10＝A,01＝T,11＝C,00＝G；7.8)若TN₃(i)＝8，则01＝A,10＝T,11＝C,00＝G，译码后分别 得到明文DNA编码三通道混沌加密预处理序列TN₄₂、TN₅₂、TN₆₂依据 译码序列TN₄₁，TN₅₁，TN₆₁进行DNA译码，一码后得到三通道混沌加密DNA序列

(8)行置乱：将依次连接构成一个3M×N的矩阵P₁，得到序列TN₁中的元素按升序排列在TN₁中的位置序列TN₁′，将P₁的第一行移动到P₁的第TN₁′(1)行，P₁的 第二行移动到P₁的第TN₁′(2)行，…，依次类推，直至P₁的第3M行移动到P₁的第TN₁′(3M)行 为止，得到行置乱后矩阵P_1out；

TN′＝sort(TN)       (1)

(9)列置乱：将P_1out转化成M×3N的矩阵P₂，得到序列TN₂中的每一行元素按升序排 列在TN₂中的位置序列TN₂′，将P₂的第i行第j列的元素移动到P₁的第i行第TN₂′(i,j)列，直 至P₁的第M行第3N列移动到P₁的第M行第TN₂′(M,3N)行为止，得到列置乱后矩阵P_2out；

(10)像素值调整：将P_2out分解成3个M×N矩阵P_3R、P_3G、P_3B，对图像像素值进行加 密，其中符号为DNA加法运算，$A\widetilde{+}\{A,T,C,G\}=\{C,G,A,T\},T\widetilde{+}\{A,T,C,G\}=\{G,C,T,A\},$$C\widetilde{+}\{A,T,C,G\}=\{A,T,C,G\},G\widetilde{+}\{A,T,C,G\}=\{T,A,G,C\};$为DNA减法运算： $A\widetilde{-}\{A,T,C,G\}=\{C,A,G,T\},T\widetilde{-}\{A,T,C,G\}=\{G,C,T,A\},C\widetilde{-}\{A,T,C,G\}=\{A,T,C,G\},$$G\widetilde{-}\{A,T,C,G\}=\{T,G,A,C\};$为为DNA异或运算，规则为：$A\tilde{\oplus }\{A,T,C,G\}=\{A,T,C,G\},$$T\tilde{\oplus }\{A,T,C,G\}=\{T,A,G,C\},C\tilde{\oplus }\{A,T,C,G\}=\{C,G,A,T\},G\tilde{\oplus }\{A,T,C,G\}=\{G,C,T,A\}.$最终得到密文图像矩阵和

      $\left(\begin{array}{c}{C}_R^{\mathrm{DNA}}=\left(P_{3R}\widetilde{+}{P}_{3G}\widetilde{-}{P}_{3B}\right)\tilde{\oplus }{E}_R^{\mathrm{DNA}}\\ C_G^{\mathrm{DNA}}=\left(P_{3G}\widetilde{+}{P}_{3B}\widetilde{-}{P}_{3R}\right)\tilde{\oplus }{E}_G^{\mathrm{DNA}}\\ C_G^{\mathrm{DNA}}=\left(P_{3B}\widetilde{+}{P}_{3R}\widetilde{-}{P}_{3G}\right)\tilde{\oplus }{E}_B^{\mathrm{DNA}}\end{array}\right)$      

(11)将和转化成十进制数并复合，最终得到密文图像C_out.bmp格式。

本发明的有益效果在于：

本发明提供一种基于6维混沌系统的彩色图像一次性密钥DNA加密方法。引入了散列值 和绝对误差概念，使加密算法与图像明文相联系，有效提升了算法安全性；本发明引入了DNA 序列像素值调整和图像三通道耦合运算，有效降低了加密算法复杂程度，极大降低了密文像 素值之间的相关性，提高了密文抗攻击特性，加密效果好，安全性高。

本发明采用DNA序列像素值调整及三通道耦合运算，算法简单且占用空间小，系统并行 度高，加密算法运行效率高，极大降低了密文像素值间的相关性。即原图像像素点间相关性 为90％以上，本发明加密后图像像素点相关性降为1％以下。

本发明利用了高阶混沌系统具有更为复杂的动力学特性以及更高安全性的优点，克服了 低维混沌系统进行图像加密的密钥空间小、安全性低的缺点。即采用6th-CNN混沌系统(密 钥数为8)，精度为10^-15，密钥空间为1.5×10¹³¹，远大于2²⁵⁶，密钥空间足够抵御已知明文或 选择明文等各种攻击。

本发明引入信息散列值MD5和绝对误差概念，使加密算法与明文信息相联系，有效增大 了加密算法的安全性。

附图说明

图1为加密方法加密流程图；

图2a为Lena原图像；

图2b为图2a的R通道图像；

图2c为图2a的G通道图像；

图2d为图2a的B通道图像；

图3a为图2a的加密图像；

图3b为图3a的R通道图像；

图3c为图3a的G通道图像；

图3d为图3a的B通道图像；

图4a为图3a的正确解密图像；

图4b为图3a用错误解密参数x¹⁰解密所得的图像；

图4c为图3a错误解密参数m解密所得的图像；

图4d为图3a错误解密参数MD5解密所得的图像；

图5a为图2a只改变一个像素点后所对应的密文图像；

图5b为图5a与图3a之间差别图像；

图6为图2a与图3a的相关性检测图；

图7为图2a与图3a的灰度值检测图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

本发明采用如下技术方案：

一种基于6维混沌系统的彩色图像一次性密钥DNA加密方法，包括如下步骤：

S1：已知明文彩色像素图像P(.bmp格式)，图像尺寸为M×N，提取图像的三色通道矩 阵分别构成三个M×N的矩阵P_R，P_G，P_B。

S2：产生一个随机数R，应用公式(1)求取32位十六进制图像散列值MD5。

MD5＝MD(P,R)        (2)

S3：将MD5平均分成8份，即MD(j)＝{d_j1d_j2d_j3d_j4},j＝1,...,8，并应用公式(2)将MD归 一到(0,0.01)之间。

D(i)＝hex2dec(MD(i)),i＝1,...,8        (3)

S4：从D中任意选取4个数如{D(1),D(3),D(6),D(7)}并求和得到 s₁＝D(1)+D(3)+D(6)+D(7)，依次类推求取s₂,s₃,s₄,s₅,s₆。应用公式(3)获取绝对误差序列 ε＝{ε₁,ε₂,ε₃,ε₄,ε₅,ε₆}。其中如果s_i×100mod2＝0，则ε_i取+；否则，ε_i取-。

      ${ϵ}_i\pm s_i+\underset{j=1}{\overset{8}{\Sigma }}D\left(j\right),i=\mathrm{1,2},...,6---\left(4\right)$      

S5：采用公式(4)获取更新后的6维混沌系统初始参数x′_i0,i＝1,2,...,6，代入6th-CNN高阶 混沌系统迭代m+3MN次，去除前m个值应用公式(5)获取混沌序列Y＝{y₁,y₂,y₃,y₄,y₅,y₆}。

x_i′＝x_i0+ε_i,i＝1,2,...,6             (5)

y_i＝x_i×10¹⁴mod256,i＝1,2,...,6           (6)

S6：用MD5最后一位计算t＝MD5(32)mod6+1，取y_t的前3M位得到行置乱序列1×3M 的TN₁；取y_t+1mod6+1得到列置乱序列M×3N的TN₂；取y_t+2mod6+1的前M×N位并应用公式(6)得 到明文DNA译码规则序列1×MN的TN₃；取y_t+3mod6+1，y_t+4mod6+1和y_t+5mod6+1的前2M×N位，奇 数项应用公式(6)获取译码规则1×MN的TN₄₁,TN₅₁,TN₆₁，偶数项获取三通道混沌加密预处理 序列1×MN的TN₄₂,TN₅₂,TN₆₂。

TN＝ymod8+1           (7)

S7：将明文P_R,P_G,P_B的每个像素点值转化为8位二进制数，如(128)₁₀＝(10000000)₂，将 其每2位为一组，如(10000000)₂＝(10|00|00|00)₂，依据TN₃进行DNA译码，译码原理为：1) 若TN₃(i)＝1，则00＝A,11＝T,10＝C,01＝G；2)若TN₃(i)＝2，则00＝A,11＝T,01＝C,10＝G； 3)若TN₃(i)＝3，则11＝A,00＝T,10＝C,01＝G；4)若TN₃(i)＝4，则 11＝A,00＝T,01＝C,10＝G；5)若TN₃(i)＝5，则10＝A,01＝T,00＝C,11＝G；6)若TN₃(i)＝6， 则01＝A,10＝T,00＝C,11＝G；7)若TN₃(i)＝7，则10＝A,01＝T,11＝C,00＝G；8)若 TN₃(i)＝8，则01＝A,10＝T,11＝C,00＝G。译码后分别得到明文DNA编码三通道混沌加密预处理序列TN₄₂、TN₅₂、TN₆₂依据译码序列TN₄₁，TN₅₁，TN₆₁仿照上述过程 进行DNA译码，一码后得到三通道混沌加密DNA序列

S8：行置乱：将依次连接构成一个3M×N的矩阵P₁，应用公式(7)得 到序列TN₁中的元素按升序排列在TN₁中的位置序列TN₁′。将P₁的第一行移动到P₁的第 TN₁′(1)行，P₁的第二行移动到P₁的第TN₁′(2)行，…，依次类推，直至P₁的第3M行移动到P₁的第TN₁′(3M)行为止，得到行置乱后矩阵P_1out。

TN′＝sort(TN)          (8)

S9：列置乱：将P_1out转化成M×3N的矩阵P₂，应用公式(8)得到序列TN₂中的每一行元 素按升序排列在TN₂中的位置序列TN₂′。将P₂的第i行第j列的元素移动到P₁的第i行第 TN₂′(i,j)列，按此操作，直至P₁的第M行第3N列移动到P₁的第M行第TN₂′(M,3N)行为止， 得到列置乱后矩阵P_2out。

S10：像素值调整：将P_2out分解成3个M×N矩阵P_3R,P_3G,P_3B，应用公式(8)对图像像素值 进行加密，其中符号为DNA加法运算，规则为：$A\widetilde{+}\{A,T,C,G\}=\{C,G,A,T\},$$T\widetilde{+}\{A,T,C,G\}=\{G,C,T,A\},C\widetilde{+}\{A,T,C,G\}=\{A,T,C,G\},G\widetilde{+}\{A,T,C,G\}=\{T,A,G,C\};$为DNA减法运算，规则为：$A\widetilde{-}\{A,T,C,G\}=\{C,A,G,T\},T\widetilde{-}\{A,T,C,G\}=\{G,C,T,A\},$$C\widetilde{-}\{A,T,C,G\}=\{A,T,C,G\},G\widetilde{-}\{A,T,C,G\}=\{T,G,A,C\};$为为DNA异或运算，规则为： $A\tilde{\oplus }\{A,T,C,G\}=\{A,T,C,G\},T\tilde{\oplus }\{A,T,C,G\}=\{T,A,G,C\},C\tilde{\oplus }\{A,T,C,G\}=\{C,G,A,T\},$$G\tilde{\oplus }\{A,T,C,G\}=\{G,C,T,A\}.$最终得到密文图像矩阵和

      $\left(\begin{array}{c}{C}_R^{\mathrm{DNA}}=\left(P_{3R}\widetilde{+}{P}_{3G}\widetilde{-}{P}_{3B}\right)\tilde{\oplus }{E}_R^{\mathrm{DNA}}\\ C_G^{\mathrm{DNA}}=\left(P_{3G}\widetilde{+}{P}_{3B}\widetilde{-}{P}_{3R}\right)\tilde{\oplus }{E}_G^{\mathrm{DNA}}\\ C_G^{\mathrm{DNA}}=\left(P_{3B}\widetilde{+}{P}_{3R}\widetilde{-}{P}_{3G}\right)\tilde{\oplus }{E}_B^{\mathrm{DNA}}\end{array}\right)---\left(9\right)$      

S11：将和转化成十进制数并复合，最终得到密文图像C_out(.bmp格式)。

①步骤S2中引入由图像和随机数生成的散列值MD5，每次加密产生的MD5均不同，有效提高了 加密系统的密钥安全性。

②步骤S4中引入了绝对误差概念，使加密系统与明文图像相联系，提高了系统安全性。

③步骤S5中采用6维混沌系统，增加了系统密钥空间，提高了安全性。

④步骤S10中采用DNA译码，并应用DNA加法、减法和异或运算，对图像三通道像素值进行耦合 加密的方法，解决了以前算法三通道像素值单独加密安全性低的缺陷，降低了加密图像像素点间的相 关性，提高了图像加密的安全性、抗攻击性。

实施例

如图1所示一种基于6维混沌系统的彩色图像一次性密钥DNA加密方法，包括如下步骤：

S1：已知明文彩色像素图像P(.bmp格式)，图像尺寸为M×N，提取图像的三色通道矩 阵分别构成三个M×N的矩阵P_R，P_G，P_B。

S2：产生一个随机数R，应用公式(2)求取32位十六进制图像散列值MD5。

MD5＝MD(P,R)             (10)

S3：将MD5平均分成8份，即MD(j)＝{d_j1d_j2d_j3d_j4},j＝1,...,8，并应用公式(3)将MD归 一到(0,0.01)之间。

D(i)＝hex2dec(MD(i)),i＝1,...,8       (11)

S4：从D中任意选取4个数如{D(1),D(3),D(6),D(7)}并求和得到 s₁＝D(1)+D(3)+D(6)+D(7)，依次类推求取s₂,s₃,s₄,s₅,s₆。应用公式(4)获取绝对误差序列 ε＝{ε₁,ε₂,ε₃,ε₄,ε₅,ε₆}。其中如果s_i×100mod2＝0，则ε_i取+；否则，ε_i取-。

      ${ϵ}_i=\pm s_i+\underset{j=1}{\overset{8}{\Sigma }}D\left(j\right),i=\mathrm{1,2},...,6---\left(12\right)$      

S5：采用公式(5)获取更新后的6维混沌系统初始参数x′_i0,i＝1,2,...,6，代入6th-CNN高阶 混沌系统迭代m+3MN次，去除前m个值应用公式(6)获取混沌序列Y＝{y₁,y₂,y₃,y₄,y₅,y₆}。

x_i′＝x_i0+ε_i,i＝1,2,...,6        (13)

y_i＝x_i×10¹⁴mod256,i＝1,2,...,6           (14)

S6：用MD5最后一位计算t＝MD5(32)mod6+1，取y_t的前3M位得到行置乱序列1×3M 的TN₁；取y_t+1mod6+1得到列置乱序列M×3N的TN₂；取y_t+2mod6+1的前M×N位并应用公式(7)得 到明文DNA译码规则序列1×MN的TN₃；取y_t+3mod6+1，y_t+4mod6+1和y_t+5mod6+1的前2M×N位，奇 数项应用公式(7)获取译码规则1×MN的TN₄₁,TN₅₁,TN₆₁，偶数项获取三通道混沌加密预处理 序列1×MN的TN₄₂,TN₅₂,TN₆₂。

TN＝ymod8+1         (15)

S7：将明文P_R,P_G,P_B的每个像素点值转化为8位二进制数，如(128)₁₀＝(10000000)₂，将 其每2位为一组，如(10000000)₂＝(10|00|00|00)₂，依据TN₃进行DNA译码，译码原理为：1) 若TN₃(i)＝1，则00＝A,11＝T,10＝C,01＝G；2)若TN₃(i)＝2，则00＝A,11＝T,01＝C,10＝G； 3)若TN₃(i)＝3，则11＝A,00＝T,10＝C,01＝G；4)若TN₃(i)＝4，则 11＝A,00＝T,01＝C,10＝G；5)若TN₃(i)＝5，则10＝A,01＝T,00＝C,11＝G；6)若TN₃(i)＝6， 则01＝A,10＝T,00＝C,11＝G；7)若TN₃(i)＝7，则10＝A,01＝T,11＝C,00＝G；8)若 TN₃(i)＝8，则01＝A,10＝T,11＝C,00＝G。译码后分别得到明文DNA编码三通道混沌加密预处理序列TN₄₂、TN₅₂、TN₆₂依据译码序列TN₄₁，TN₅₁，TN₆₁仿照上述过程 进行DNA译码，一码后得到三通道混沌加密DNA序列

S8：行置乱：将依次连接构成一个3M×N的矩阵P₁，应用公式(8)得 到序列TN₁中的元素按升序排列在TN₁中的位置序列TN₁′。将P₁的第一行移动到P₁的第 TN₁′(1)行，P₁的第二行移动到P₁的第TN₁′(2)行，…，依次类推，直至P₁的第3M行移动到P₁的第TN₁′(3M)行为止，得到行置乱后矩阵P_1out。

TN′＝sort(TN)          (16)

S9：列置乱：将P_1out转化成M×3N的矩阵P₂，应用公式(8)得到序列TN₂中的每一行元 素按升序排列在TN₂中的位置序列TN₂′。将P₂的第i行第j列的元素移动到P₁的第i行第 TN₂′(i,j)列，按此操作，直至P₁的第M行第3N列移动到P₁的第M行第TN₂′(M,3N)行为止， 得到列置乱后矩阵P_2out。

S10：像素值调整：将P_2out分解成3个M×N矩阵P_3R,P_3G,P_3B，应用公式(9)对图像像素值 进行加密，其中符号为DNA加法运算，规则为：$A\widetilde{+}\{A,T,C,G\}=\{C,G,A,T\},$$T\widetilde{+}\{A,T,C,G\}=\{G,C,T,A\},C\widetilde{+}\{A,T,C,G\}=\{A,T,C,G\},G\widetilde{+}\{A,T,C,G\}=\{T,A,G,C\};$为DNA减法运算，规则为：$A\widetilde{-}\{A,T,C,G\}=\{C,A,G,T\},T\widetilde{-}\{A,T,C,G\}=\{G,C,T,A\},$$C\widetilde{-}\{A,T,C,G\}=\{A,T,C,G\},G\widetilde{-}\{A,T,C,G\}=\{T,G,A,C\},$为为DNA异或运算，规则为： $A\tilde{\oplus }\{A,T,C,G\}=\{A,T,C,G\},T\tilde{\oplus }\{A,T,C,G,\}=\{T,A,G,C\},C\tilde{\oplus }\{A,T,C,G\}=\{C,G,A,T\},$$G\tilde{\oplus }\{A,T,C,G\}=\{G,C,T,A\}.$最终得到密文图像矩阵和

      $\left(\begin{array}{c}{C}_R^{\mathrm{DNA}}=\left(P_{3R}\widetilde{+}{P}_{3G}\widetilde{-}{P}_{3B}\right)\tilde{\oplus }{E}_R^{\mathrm{DNA}}\\ C_G^{\mathrm{DNA}}=\left(P_{3G}\widetilde{+}{P}_{3B}\widetilde{-}{P}_{3R}\right)\tilde{\oplus }{E}_G^{\mathrm{DNA}}\\ C_G^{\mathrm{DNA}}=\left(P_{3B}\widetilde{+}{P}_{3R}\widetilde{-}{P}_{3G}\right)\tilde{\oplus }{E}_B^{\mathrm{DNA}}\end{array}\right)---\left(17\right)$      

S11：将和转化成十进制数并复合，最终得到密文图像C_out(.bmp格式)。

使用MATLAB软件对本发明提出的图像加密方法进行仿真，明文图像选用标准测试彩色 图像Parrot(图像尺寸256×256)如图2a所示，对其进行基于6维混沌系统的彩色图像一次密 钥DNA加密，密钥参数为x₁₀＝0.31，x₂₀＝0.63，x₃₀＝0.76，x₄₀＝0.26，x₅₀＝0.38，x₆₀＝0.49， m＝1280的加密，并分析性能。

首先将明文图像按照步骤S1-S11，得到密文图像如图3a所示。

密钥敏感性分析测试：使用正确密钥MD5，x₁₀＝0.31，x₂₀＝1.63，x₃₀＝-0.76，x₄₀＝0.66， x₅₀＝0.48，x₆₀＝0.77，m＝1135解密，得到明文图像如图4a，分别使用错误密钥 x₁₀＝0.31+10^-15，m＝1280+1，MD5＝MD5+1得到明文结果图像如图4b，图4c，图4d。从解 密结果可以看出，密钥敏感性极高，密钥空间大，可以抵挡密钥攻击。

像素相关性分析测试：相邻像素的相关性可以反映出图像像素的扩散程度，而原始明文 图像中相邻两个像素的相关性通常很大，尽量让密文图像相邻像素的相关性系数接近零。表1 为原始图像和密文图像R,G,B各通道像素相关性检测结果。从表格中可以看出，原始图像相 关性较强，密文图像相关性较弱，安全性高。

密文像素变化率NPCR和平均变化密度UACI分析测试：NPCR和UACI指明文一个像素点 发生变化所导致的密文像素变化率和平均变化密度，它们反映着加密算法抵抗差分攻击的能 力。NPCR和UACI的值越高，表明加密算法的抗差分攻击的能力越强。表2为密文R,G,B通道 间NPCR检测结果，表3为密文R,G,B通道间UACI检测结果。从以上表格中可以看出，NPCR 接近99.6％，UACI接近33.4％，加密算法的抗差分攻击的能力强。

信息熵分析测试：信息熵H是反应随机信号性能的一个重要指标，信号随机性越高，H值 越接近8。表4为明文和密文的信息熵测试结果，从表中可以看出，密文信息熵接近8，表明密 文随机性很高。

表1为图2a与图3a相关性检测结果；

表2为图2a与图3a的NPCR检测结果；

表3为图2a与图3a的UACI检测结果；

表4为图2a与图3a的信息熵H检测结果。

解密过程：

图像解密过程为图像加密过程的逆过程。

本发明中，解密过程可以使用密钥x₁₀＝0.31，x₂₀＝0.63，x₃₀＝0.76，x₄₀＝0.26，x₅₀＝0.38， x₆₀＝0.49，m＝1280及加密过程中生成的密钥MD5，通过与加密过程相逆的过程完成解密。

例如，待加密图像为标准测试彩色Parrot图像(图像尺寸256×256)，对其进行基于6维混沌 系统的彩色图像一次性密钥DNA的密钥为MD5,x₁₀,x₂₀,x₃₀,x₄₀,x₅₀,x₆₀,m的彩色图像加密，则 解密时可以用密钥参数MD5，x₁₀，x₂₀，x₃₀，x₄₀，x₅₀，x₆₀，m参与加密过程相逆的过程 进行解密。

本发明提供的一种基于6维混沌系统的彩色图像一次性密钥DNA加密方法，安全性高， 密钥空间大，算法简单，抗破译能力强，为图像加密提供了一个新的解决方案，在使用图像 进行通信的场合，该加密方法具有很高的使用价值。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制， 其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应 为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

表1

            

表2

            

表3

            

表4

      

信息熵H R通道 G通道 B通道 原始图像 7.3613 6.7591 6.0644 加密图像 7.9972 7.9973 7.9975

本发明公开一种基于6维混沌系统的彩色图像一次性密钥DNA加密方法，涉及图像加 密系统领域。采用的方法如下：首先利用图片和随机数R复合得到信息散列值MD5，使用 MD5值构造绝对误差序列ε＝{ε1,ε2,ε3,ε4,ε5,ε6}；然后将绝对误差序列与6维高阶混沌系统 初始参数相结合产生混沌序列；利用DNA序列编码规则将明文进行DNA序列译码并进行图 像置乱；利用DNA序列加法、减法和异或运算操作对明文进行像素值调整，较传统的像素 值调整，DNA序列像素值调整算法并行度高，提高了算法运算效率，降低了密文图像像素点 间相关性；引入了一次性密钥算法，使加密系统密钥富于变化，密钥敏感性高；引用绝对误 差概念，时加密系统与明文相联系，提高了加密系统的敏感性、安全性。