一种基于粒子群算法及光混沌的DNA图像加密系统

摘要

本发明基于粒子群算法和光混沌的DNA图像加密系统，主激光器通过第一分束器连接二分束器，第二分束器口连接第一、第二从激光器，第一激光器依次通过第三分束器、第一混沌序列生成器连接第一密钥生成器；第二激光器依次通过第四分束器、第二混沌序列生成器连接第一密钥生成器，哈希序列生成器与第一密钥生成器连接，第一密钥生成器通过DNA加密器连接多目标粒子群优化器，粒子群优化器再连接第一密钥生成器，向DNA解密器传输密文；第二分束器连接第三、第四从激光器，第三从激光器依次通过第五分束器、第三混沌生成器连接第二密钥生成器，第四从激光器依次通过第六分束器、第四混沌生成器连接第二密钥生成器，第二密钥生成器连接DNA解密器。

说明书

技术领域

本发明属于光纤保密通信与信息安全技术领域，具体涉及一种基于粒子群算法和光混沌的DNA图像加密系统。

背景技术

粒子群优化(PSO)算法是一种基于种群的搜索算法，它基于对群中鸟类社会行为的模拟。在PSO算法中，粒子群代表需要优化的个体，每个粒子都有两个属性，即速度和位置。所有粒子通过预设的适应度函数来衡量当前位置的优劣，以适应度值作为标准来选择个体的最佳位置、群体的最佳位置和群体的适应度值，从而在连续迭代中找到最优解。

激光器的不稳定性是一个普遍现象，混沌激光是激光器输出不稳定性的一种特殊形式，此时尽管激光器的动态特性同样可以由确定的速率方程来描述，但是激光器的输出(光强、波长、相位)在时域上不再是稳态，而是类似噪声的随机变化。激光器产生光混沌的典型方法就是通过外部光注入、光反馈或光电反馈。混沌激光天生具备隐蔽性，能很好的用于保密通信领域。混沌保密通信是依靠物理层面上的硬件加密，只有当接收者具有与发射机参数匹配的接收机时，才能接收到信息，否则，接收者(窃听者)只能收到类似噪声的混沌信号。

现有技术利用电混沌对图象进行加密，其存在复杂度低从而造成图像加密通信安全度低的技术问题。

发明内容

针对现有技术存在图像保密通信的不足，本发明提供了一种基于粒子群算法和光混沌的DNA图像加密系统。本发明的创新之处在于，主激光器通过光反馈产生混沌激光信号，通过分束器将激光发送给四个从属激光器，这四个从激光器受到主激光器ML的光注入以及来自镜子的光反馈产生新的混沌激光。从激光器SL1、2用于发送端信息加密，SL3、4用于接收端信息解密。因需要达到混沌同步，激光器对应有相同的内部参数，SL1和SL3的输出相同，SL2和SL4的输出相同。发送端SL1、2产生的混沌激光生成混沌序列，与需要加密图像的哈希值以及粒子群优化后传入的混沌初始参数一起生成加密的密钥，用密钥将图像进行扩散以及DNA加密，加密后的密文图像经过多目标粒子群优化，得到具有最佳像素相关性以及图像熵的密文图像。密文图像经过光纤传输。在接收端，SL3、4产生与发送端相同的混沌激光，生成的混沌序列与接收到的密钥生成解密密钥，利用解密密钥对密文进行图像解密，解密操作是加密的逆过程，得到原图像。

为了达到上述发明目的，本发明采取以下技术方案：

一种基于粒子群算法和光混沌的DNA图像加密系统，包括发送端和接收端；

所述发送端的主激光器通过第一分束器连接二分束器，第二分束器的其中两个端口连接第一从激光器、第二从激光器，用于产生混沌激光，第一激光器依次通过第三分束器、第一混沌序列生成器连接第一密钥生成器；第二激光器依次通过第四分束器、第二混沌序列生成器连接第一密钥生成器，图像经过哈希序列生成器生成图像哈希值，哈希序列生成器与第一密钥生成器连接，第一密钥生成器通过DNA加密器连接多目标粒子群优化器，粒子群优化器再连接第一密钥生成器，在DNA加密器中进行图像的扩散与加密，DNA加密器输出密文图像，通过循环迭代找出最佳参数，向接收端的DNA解密器传输；第二分束器的另两个端口分别连接第三从激光器、第四从激光器，第三从激光器依次通过第五分束器、第三混沌生成器连接第二密钥生成器，第四从激光器依次通过第六分束器、第四混沌生成器连接第二密钥生成器，第二密钥生成器连接DNA解密器，在DNA解密器中进行图像的逆扩散与解密，图像经过光纤传输到接收端经过DNA解密器还原出原始图像信息。

作为优选方案，在发送端，激光器产生的混沌序列与电混沌映射产生的序列进行异或操作，以产生新的加密矩阵，加密矩阵对原始图像扩散，DNA加密过程将用此加密矩阵作为DNA运算的基本元。

作为优选方案，所述接收端，采用接收到的密钥以及与发送端同步的激光混沌序列生成解密的密钥，对接受的密文图像进行逆扩散和DNA解密，解密过程为加密的逆过程。

作为优选方案，在发送端，图像信息通过哈希序列生成器，第一密钥生成器、DNA加密器、多目标粒子群优化器，再通过光纤将信号发送出去。

作为优选方案，在接收端，信号接收后，依次通过第二密钥生成器、DNA解密器，恢复出原始信息。

作为优选方案，所述第一混沌激光器外腔反馈延迟时间为2.97ns。

作为优选方案，所述第一至第二混沌激光器的延迟时间为2.77ns，所述第一至第四混沌激光器的延迟时间为2.77ns。

作为优选方案，所述第一、第三混沌激光器延迟时间为2.67ns，所述第二、第四混沌激光器延迟时间为3.67ns。

作为优选方案，所述第一、第三混沌激光器偏置电流为32mA。其信号波长均为1550nm，功率为10mW。

作为优选方案，所述第二、第四混沌激光器的偏置电流为30mA。信号波长均为1550nm，功率为10mW。

作为优选方案，所述主混沌激光器的偏置电流为28mA。信号波长1550nm，功率为10mW。

本发明一种基于粒子群算法和光混沌的DNA图像加密系统的原理与过程为：利用激光产生的混沌与电混沌生成一个加密矩阵，使用加密矩阵进行图像扩散与DNA加密，将生成的密文图像经过粒子群优化，得到具有最佳像素相关性以及图像熵的密文图像。具体地，在发送端，第一从激光器SL1产生的混沌序列s1传输到第一密钥生成器，第二从激光器SL2产生的混沌序列s2传输到第一密钥生成器，分别从激光器SL1和SL2产生的混沌序列中取出图像大小M×N个值s1和s2，并将s1和s2映射到0-255之间。

方法为：通过mod(floor(256×hash_key×S

X,Y分别决定图像和混沌加密矩阵的DNA编码方式，有8种，1～8，Z决定运算方式，有4种，0～3，0表示加，1表示减，2表示异或，3表示同或。H表示DNA解码方式，有8种，1～8。round操作为取整，mod为取模运算。将图像的每一块进行DNA编码、运算，运算后的新块与上次运算产生的块在进行一次DNA运算，之后进行DNA解码，并将块合成密文图像，密文图像传输到粒子群优化器，优化密文图像得到最佳的混沌初始参数，将参数传入第一密钥生成器，循环得到最佳密文图像，经过光纤将密文图像发送出去。

通过光纤传输后，在接收端，第三从激光器SL3和第四从激光器SL4产生与发送端相同的混沌激光，并得到与发送端相同的混沌序列传入第二密钥生成器，通过光纤接收到的密钥参数同时传入第二密钥生成器，第二密钥生成器将密钥传输给DNA解密器，DNA解密器对密文图像进行逆扩散与DNA解密，为发送端加密的逆过程，这样就得到明文图像。

DNA是具有双螺旋结构的双链高分子脱氧核糖核酸，包括腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、鸟氨酸(G)和胞嘧啶(C)四种含氮碱。其中，A和T、G和C分别是互补关系。灰度图像中，每个像素点的值都能用8位的二进制表示，四个脱氧核苷酸A、T、C和G可以表示两个二进制位(例如，分别表示00、01、10、11)，那么灰度图像中的每个像素可以转换为四位DNA序列，例如218(11011010)可以表示为DNA序列GTCC。DNA分子的核苷酸可以编码成8种规则，如表1所示。

表1:DNA编码规则

本发明使用的DNA操作包括DNA加减法和DNA异或，其中DNA核苷酸之间的操作与二进制中的操作一致。与DNA编码相对应的规则有8条，DNA减法、修改和异或运算也分为8种类型。此处，规则1(A-00、G-10、C-01、T-11)作为编码原则的示例。操作如表2-4所示；

表2:DNA加法

表3:DNA减法

表4:DNA异或

本发明与现有技术相比，有益效果是：

本发明一种基于粒子群算法和光混沌的DNA图像加密系统，其安全性在于：图像经过DNA和光电混沌的双重加密，并且利用多目标粒子群算法对密文图像进行优化。已知密文图像情况下，没有激光器内部参数和混沌初值以及操作步骤将无法解密，从而有效地增强了安全性。本发明通过粒子群优化还能生成相关度更低的加密图像。

附图说明

图1为本发明实施例一种基于粒子群算法和光混沌的DNA图像加密系统构架图。

图2为多目标粒子群算法最终结果图，*代表帕累托前沿，为选出的最佳值，此值为生成混沌的初始值。

图3为加解密图像的直方图。加密图像直方图表示加密使得图像像素值分布更均匀。

图4为原图像与加密图像三个方向的像素相关性图，依次为水平、垂直、对角。

图5为在密文图像中加入噪声之后的解密图。

图6为将密文图像剪裁一部分后的解密结果图，解密后的图像在密文被剪切到不同程度后仍然可以区分图像的内容，因此本发明提出加密算法以抵抗剪切攻击。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

本发明一种基于粒子群算法和光混沌的DNA图像加密系统，包括发送端和接收端，发送端和接收端之间通过光纤连接。

发送端包括主激光器ML、第一分束器、第二分束器、第一从激光器、第二从激光器、第三分束器、第四分束器、第一混沌序列生成器、第二混沌序列生成器、哈希序列生成器、第一密钥生成器、DNA加密器、MOPSO优化器。

接收端包括第三从激光器、第四从激光器、第五分束器、第六分束器、第三混沌序列生成器、第四混沌序列生成器、第二密钥生成器、DNA解密器。接收端与发射端通过光纤信道连接。

在发送端，第一从激光器SL1产生的混沌序列s1传输到第一密钥生成器，第二从激光器SL2产生的混沌序列s2传输到第一密钥生成器，分别从激光器SL1和SL2产生的混沌序列中取出图像大小M×N个值s1和s2，并将s1和s2映射到0-255之间，方法为mod(floor(256×hash_key×S

X,Y分别决定图像和混沌加密矩阵的DNA编码方式，有8种，1～8，Z决定运算方式，有4种，0～3，0表示加，1表示减，2表示异或，3表示同或。H表示DNA解码方式，有8种，1～8。round操作为取整，mod为取模运算。将图像的每一块进行DNA编码、运算，运算后的新块与上次运算产生的块在进行一次DNA运算，之后进行DNA解码，并将块合成密文图像，密文图像传输到粒子群优化器，优化密文图像得到最佳的混沌初始参数，将参数传入第一密钥生成器，循环得到最佳密文图像，经过光纤将密文图像发送出去。

通过光纤传输后，在接收端，第三从激光器SL3和第四从激光器SL4产生与发送端相同的混沌激光，并得到与发送端相同的混沌序列传入第二密钥生成器，通过光纤接收到的密钥参数同时传入第二密钥生成器，第二密钥生成器将密钥传输给DNA解密器，DNA解密器对密文图像进行逆扩散与DNA解密，为发送端加密的逆过程，就可以得到明文图像。

上述实现了基于粒子群算法和光混沌的DNA图像加密目的。

如图1所示，一种优选实施例基于粒子群算法和光混沌的DNA图像加密系统，其具体连接关系如下：

发送端包括主激光器ML 1、第一分束器2、第二分束器3、第一从激光器4-1、第二从激光器4-2、第三分束器5-1、第四分束器5-2、第一混沌序列生成器6-1、第二混沌序列生成器6-2、哈希序列生成器7、第一密钥生成器8-1、DNA加密器9、MOPSO优化器10。

主激光器1的右侧端口与第一分束器2的左侧端口连接，第一分束器2的右端口连接第二分束器3的左侧端口，第二分束器3上端口连接第一从激光器4-1的左端口，第二分束器3右端口连接第二从激光器4-2的左端口，第一激光器4-1右端口连接第三分束器5-1的左端口，第三分束器5-1的右端口连接第一混沌序列生成器6-1的左端口，第一混沌序列生成器6-1的右端口连接第一密钥生成器8-1的左端口，第二激光器4-2右端口连接第四分束器5-2的左端口，第四分束器5-2的右端口连接第二混沌序列生成器6-2的左端口，第二混沌序列生成器6-2的右端口连接第一密钥生成器8-1的下端口，哈希序列生成器7右端口与第一密钥生成器8-1上端口连接，第一密钥生成器8-1右端口连接DNA加密器9左端口，DNA加密器9的右端口连接多目标粒子群优化器10左端口，粒子群优化器10上端口再连接第一密钥生成器8-1上端口，循环迭代找出最佳参数。

接收端包括第三从激光器4-3、第四从激光器4-4、第五分束器5-3、第六分束器5-4、第三混沌序列生成器6-3、第四混沌序列生成器6-4、第二密钥生成器8-2、DNA解密器11。

第二分束器3右端口连接第三从激光器4-3左端口，第二分束器3下端口连接第四从激光器4-4左端口，第三从激光器4-3右端口连接第五分束器5-3左端口，第四从激光器4-4右端口连接第六分束器5-4左端口，第五和第六分束器5-3、5-4分别连接第三混沌生成器6-3和第四混沌生成器6-4的左端口，第三、第四混沌生成器6-3、6-4分别连接第二密钥生成器8-2的上端口和左端口，第二密钥生成器8-2的右端口连接DNA解密器11的左端口，DNA解密器11的右端口输出解密图像。

针对现有技术图像保密通信的不足，本发明提供了一种基于粒子群算法和光混沌的DNA图像加密系统。本发明的创新之处在于，主激光器通过光反馈产生混沌激光信号，通过分束器将激光发送给四个从属激光器，这四个从激光器受到主激光器ML的光注入以及来自镜子的光反馈产生新的混沌激光。从激光器SL1、SL2用于发送端信息加密，SL3、SL4用于接收端信息解密。因为要达到混沌同步，激光器对应有相同的内部参数，SL1和SL3的输出相同，SL2和SL4的输出相同。发送端SL1、SL2产生的混沌激光生成混沌序列，与需要加密图像的哈希值以及粒子群优化后传入的混沌初始参数一起生成加密的密钥，用密钥将图像进行扩散以及DNA加密，加密后的密文图像经过多目标粒子群优化，得到具有最佳像素相关性以及图像熵的密文图像。密文图像经过光纤传输。在接收端，SL3、SL4产生与发送端相同的混沌激光，生成的混沌序列与接收到的密钥生成解密密钥，利用解密密钥对密文进行图像解密，解密操作是加密的逆过程，得到原图像。

实现加密的过程简要归纳如下：

1、发送端利用激光器产生混沌激光，生成混沌序列，将混沌序列映射到0-255区间，作为第一个密钥。

2、利用哈希函数生成图像的哈希散列，将散列变换为0-1之间的一个数值。作为第二个密钥。

3、利用多目标粒子群优化算法优化密文图像的熵和像素相关性，并得到最佳的混沌初值，作为第三个密钥。

4、使用上述三个密钥对图像进行扩散以及分块DNA加密。

5、将加密后的图像信息通过光纤传输。

6、接收到密文图像信号以及密钥信息后，接收端利用激光器产生同步混沌激光，产生混沌序列，生成解密密钥。

7、利用激光器同步生成的密钥以及接收到的密钥对密文图像解密，得到原始图像。

以上对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。