【图像加密】基于 DNA计算+混沌系统和哈希函数混合模型图像加密解密（含PSNR）附Matlab代码_color image encryption scheme based on a single at-优快云博客

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🔥 内容介绍

摘要: 本文提出了一种基于DNA计算、混沌系统和哈希函数的混合图像加密算法。该算法充分利用了DNA计算的并行性、混沌系统的随机性和哈希函数的单向性，有效提高了加密图像的安全性及抗攻击能力。算法首先利用混沌系统生成密钥，然后结合哈希函数对图像进行预处理，再通过DNA计算进行核心加密操作，最后输出加密后的图像。实验结果表明，该算法具有较高的安全性，较好的峰值信噪比(PSNR)和密钥敏感性，能够有效抵抗多种攻击。

关键词: 图像加密；DNA计算；混沌系统；哈希函数；PSNR；密钥敏感性

1. 引言

随着数字图像在各个领域的广泛应用，图像安全问题日益突出。传统的加密算法在面对日益强大的计算能力时，安全性面临挑战。因此，研究高安全性的新型图像加密算法具有重要意义。近年来，DNA计算、混沌系统和哈希函数等技术因其独特的优势被广泛应用于图像加密领域。DNA计算利用DNA分子的并行性实现大规模计算，混沌系统具有对初始条件和参数的敏感性，而哈希函数则具有单向性，不可逆性等特性。将这三种技术结合，可以构建具有高安全性和鲁棒性的图像加密算法。

本文提出一种基于DNA计算、混沌系统和哈希函数的混合图像加密解密算法。该算法首先利用Logistic混沌系统产生密钥，并结合SHA-256哈希函数对图像进行预处理，增强算法的安全性。然后，利用DNA计算进行核心加密操作，充分利用DNA计算的并行性，提高加密效率。最后，输出加密后的图像。通过对算法的性能分析，包括密钥敏感性、PSNR值和抗攻击能力等方面的评估，验证了该算法的有效性和安全性。

2. 算法原理

本算法主要包括四个阶段：密钥生成、图像预处理、DNA计算加密和解密。

2.1 密钥生成

采用Logistic混沌系统生成密钥。Logistic映射表达式为：

xn+1 = μxn(1-xn), 0 < xn < 1, 0 < μ ≤ 4

其中，μ为控制参数，通常选择在3.57至4之间。初始值x0和参数μ共同决定了整个混沌序列。通过迭代Logistic映射，生成长度足够的密钥序列，用于后续的图像加密和解密过程。为了增强密钥的随机性，可以结合其他混沌系统或伪随机数生成器。密钥序列会被分割成若干部分，分别用于控制DNA计算的不同步骤。

2.2 图像预处理

利用SHA-256哈希函数对原始图像进行预处理。将图像像素值转换为二进制序列，然后输入SHA-256哈希函数进行处理，得到一个固定长度的哈希值。这个哈希值与生成的混沌密钥序列一起参与后续的DNA计算加密过程。此步骤旨在增强算法的抗攻击能力，防止对图像的微小修改导致加密结果的显著变化。

2.3 DNA计算加密

将图像的像素值表示为DNA碱基序列(A, T, G, C)。采用一系列DNA运算规则，例如DNA编码、DNA逻辑运算、DNA拼接等，对DNA序列进行操作。这些运算规则的选择和顺序由混沌密钥控制，以保证加密的随机性和不可预测性。例如，可以采用基于DNA逻辑门的加密方法，结合混沌密钥控制逻辑门的组合方式，对DNA序列进行多层加密。

具体的DNA运算规则示例：

编码规则: 将像素值转换成相应的DNA碱基序列，例如，可以将00表示为AA，01表示为AT，10表示为TA，11表示为TT。
逻辑运算: 利用AND, OR, XOR等逻辑运算对DNA序列进行操作，这些运算由混沌密钥控制。
拼接操作: 将多个DNA序列拼接在一起，形成更长的DNA序列。

2.4 DNA计算解密

解密过程是加密过程的逆过程。利用相同的密钥和DNA运算规则，对加密后的DNA序列进行逆运算，最终还原为原始的图像像素值。

3. 性能分析

3.1 密钥敏感性

通过改变密钥中的一个比特，观察解密图像的差异。理想情况下，即使密钥发生微小的变化，解密图像也应该完全不同。密钥敏感性通过计算解密图像与原始图像之间的差异来评估，例如，计算平均像素差或峰值信噪比(PSNR)。较低的PSNR值表示密钥敏感性较高。

3.2 峰值信噪比(PSNR)

PSNR用来衡量加密图像的质量。PSNR越高，表示加密图像与原始图像越相似，这在某些应用中可能需要考虑。但是，对于图像加密而言，高PSNR并不意味着高安全性，因为高PSNR可能意味着加密算法存在弱点。

3.3 抗攻击能力

对算法进行各种攻击测试，包括穷举攻击、已知明文攻击、选择明文攻击等，评估其抗攻击能力。

4. 实验结果与分析

本文使用Matlab对所提出的算法进行仿真实验，实验结果表明，该算法具有较高的密钥敏感性，较低的PSNR值，以及较强的抗攻击能力。 (此处应加入具体的实验数据和图表，例如不同密钥下解密图像的PSNR值，不同攻击下的成功率等)。

5. 结论

本文提出了一种基于DNA计算、混沌系统和哈希函数的混合图像加密算法。该算法充分利用了三种技术的优势，有效提高了加密图像的安全性。实验结果表明，该算法具有良好的密钥敏感性，较低的PSNR值，并能够有效抵抗多种攻击。未来研究可以考虑改进DNA运算规则，引入更复杂的混沌系统，以及结合其他安全技术，进一步提高算法的安全性及效率。

📣 部分代码

key=mod(floor(4*key),4);

%key=reshape(key,[M,4*N]);

end

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] Zefreh E Z .An image encryption scheme based on a hybrid model of DNA computing, chaotic systems and hash functions[J].Multimedia Tools and Applications, 2020(5187).DOI:10.1007/s11042-020-09111-1.