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专利号: 2018100489336
申请人: 西南大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于双混沌系统与DNA编码加密的彩色图像的加密及传输方法,其特征在于包括以下步骤:加密步骤:首先输入原始图像,将原始图像均等分,均等分后的图像之间进行异或操作,得到新图像;然后主激光器驱动两个从激光器产生光混沌序列,采用CML混沌系统置乱所述光混沌序列,由已置乱的光混沌序列对所述新图像进行转化为DNA平面、置乱和扩散操作,得到加密图像;

传输步骤:首先采用光注入方式,让主激光器产生激光信号,然后经过光隔离器、中性密度滤光片和分束器后分别注入两个从激光器,通过光学加法器、光学减法器及光开关对所述加密图像进行混沌调制,调制后的信号在10km的单模光纤上由发送方传输给接收方;

解密步骤:接收方通过混沌调制解调出加密图像,采用与所述加密步骤相反的步骤得到解密后的原始图像;

所述加密步骤、传输步骤和解密步骤的具体步骤为:

步骤1.输入大小为3×M×N的原始图像,将原始图像均等分为四部分,等分后的四部分图像之间进行异或操作,得到新图像;

步骤2.采用光注入的方式,让主激光器驱动两个从激光器产生光混沌序列;

步骤3.生成CML混沌系统的初始值,采用CML混沌系统置乱所述光混沌序列;

步骤4.将所述新图像分成RGB基色的三个分量,得到RGB三个M×N的数字矩阵平面,通过已置乱的光混沌序列与DNA编码法则及配对法则使所述三个数字矩阵平面变成由A、T、C、G四个字母构成的大小为4×M×N的三个DNA平面;

步骤5.采用所述已置乱的光混沌序列与三个所述DNA平面的元素一一对应,然后把所述已置乱的光混沌序列按照从小到大的升序规则重新排列,所述DNA平面的元素随之重新排列,以使三个所述DNA平面置乱;

步骤6.用光混沌序列与DNA运算法则对三个已置乱的DNA平面进行扩散操作,得到加密图像;

步骤7.采用光注入方式,让主激光器产生激光信号,然后经过光隔离器、中性密度滤光片和分束器后分别注入两个从激光器,把所述两个从激光器产生的混沌信号作为混沌载波信号,通过光学加法器、光学减法器及光开关对所述加密图像进行混沌调制,将调制后的信号在10km的单模光纤上传输,由发送方传输给接收方;

步骤8.接收方通过混沌调制解调出加密图像,采用与所述加密步骤相反的步骤得到解密后的原始图像。

2.根据权利要求1所述的一种基于双混沌系统与DNA编码加密的彩色图像的加密及传输方法,其特征在于:所述步骤2的具体步骤为:步骤2.1.采用光注入的方式,使主激光器ML处于混沌状态,发出混沌激光,经过光隔离器OI与中性密度滤光片NDF后被分束器BS分成两束激光,驱动两个从激光器SL1与从激光器SL2使其同步;

所述主激光器ML、从激光器SL1与从激光器SL2均采用半导体激光器;

所述半导体激光器的非线性动力学的速率方程如下:

所述主激光器ML的速率方程为:

所述从激光器SL1与从激光器SL2的速率方程为:

其中,下标1,2和3分别表示主激光器ML、从激光器SL1与从激光器SL2;E为振幅;P=|E|2为光子数密度;φ为激光场相位;N为载流子密度;Gn为微分增益, vg=c/ne为光的群速度,c为光的传播速率, 为群折射率,n为折射率,ν为光的振荡频率,g为半导体介质增益;

N0为主激光器ML、从激光器SL1与从激光器SL2在自由运行时载流子数密度;τp为光子的寿命;kinj为注入系数;τin为光在主激光器ML、从激光器SL1与从激光器SL2中环行一次所用的时间,τin=2L/c,L为腔体长度;τ为光反馈延迟时间;

Δ(t)为相位差,Δ(t)=φ(t)-Δωt;Δω为频率失谐;α为线宽增强因子,J为偏置电流密度;e为电子电荷;d为激活层厚度;τs为载流子的寿命;

步骤2.2.采用相同的采样方式分别从激光器SL1与从激光器SL2中得到相同的数值大小为36×M×N的光混沌序列,两个所述光混沌序列任一个用于加密过程,另一个用于解密过程。

3.根据权利要求2所述的一种基于双混沌系统与DNA编码加密的彩色图像的加密及传输方法,其特征在于:所述步骤3的具体步骤为:步骤3.1.采用128比特位的密匙通过异或操作得到CML混沌系统的初始值,然后迭代CML混沌系统200次使其进入混沌状态,继续迭代得到一个数值大小为36×M×N的混沌序列;

其中所述CML混沌系统的方程为:

a1(i+1)=(1-B)×f[a1(i)]+B×f[a2(i)]a2(i+1)=B×f[a1(i)]+(1-B)×f[a2(i)]其中,a1与a2均表示状态索引,a1(i)与a2(i)为CML混沌系统模型中第i个格子在两个不同的时空的状态值,B为CML混沌系统方程的参数,其中0<B<1;

f(x)为logistic混沌方程,logistic混沌方程具体方程为f(x)=A×x(1-x),其中A为logistic混沌方程的参数,其中3.569945673<A≤4;

步骤3.2.将所述数值大小为36×M×N的混沌序列与所述数值大小为36×M×N的光混沌序列一一对应,通过将所述数值大小为36×M×N的混沌序列中的元素按照从小到大的升序规则重新排列置乱所述数值大小为36×M×N的光混沌序列。

4.根据权利要求3所述的一种基于双混沌系统与DNA编码加密的彩色图像的加密及传输方法,其特征在于:所述步骤4的具体步骤为:步骤4.1.将所述新图像分成RGB基色的三个分量,得到RGB三个M×N的数字矩阵平面,将所述三个M×N的数字矩阵平面转化为大小为8×M×N的比特面,其转化公式为:G(x,y)=b(7)×27+b(6)×26+...+b(0)×20;其中G(x,y)为坐标为(x,y)像素点的灰度值,b(i)为0或

1;

步骤4.2.将所述三个大小为8×M×N的比特面均等分为十二个大小为2×M×N的比特面,再根据DNA的八种编码规则使十二个大小为2×M×N的比特面转化成十二个大小为M×N的第一DNA平面,最后合并成三个大小为4×M×N的第二DNA平面,其中DNA的八种编码规则如下表所示:Rule 1 2 3 4 5 6 7 8

A 00 00 01 01 10 10 11 11

T 11 11 10 10 01 01 00 00

C 01 10 00 11 00 11 01 10

G 10 01 11 00 11 00 01 10

所述十二个大小为2×M×N的比特面转化公式为 其中1≤i≤

12,wi为所述DNA的八种编码规则(1≤wi≤8),bi为所述128比特位的密匙;

步骤4.3.根据DNA的六种配对法则,将三个所述第二DNA平面转化成三个大小为4×M×N的DNA平面,其中DNA的六种配对法则如下表所示:Rule1 AT TC CG GA

Rule2 AT TG GC CA

Rule3 AC CT TG GA

Rule4 AC CG GT TA

Rule5 AG GT TC CA

Rule6 AG GC CT TA

将三个所述第二DNA平面转化成三个大小为4×M×N的DNA平面的转化公式为:其中1≤i≤3×4×M×N, 为所述DNA的六种配对法则 floor(x)为小于等于x的最大整数,xi为所述已置乱的光混沌序列的元素。

5.根据权利要求4所述的一种基于双混沌系统与DNA编码加密的彩色图像的加密及传输方法,其特征在于:所述步骤5的具体步骤为:将所述已置乱的光混沌序列的元素xi与所述三个大小为4×M×N的DNA平面的元素一一对应,其中(3×4×M×N+1)≤i≤(3×8×M×N);

将已置乱的光混沌序列的元素xi按照从小到大的升序规则重新排列,所述三个大小为4×M×N的DNA平面的元素随之重新排列,以使所述三个大小为4×M×N的DNA平面置乱。

6.根据权利要求5所述的一种基于双混沌系统与DNA编码加密的彩色图像的加密及传输方法,其特征在于:所述步骤6的具体步骤为:步骤6.1.将已置乱的三个大小为4×M×N的DNA平面进行扩散操作,DNA的四种脱氧核苷酸的字母之间的运算法则的公式如下所示:其中C(x)为所述DNA平面扩散后的元素,P(x)为所述DNA平面扩散前的元素,2≤i≤3×

4×M×N, 为所述DNA的六种配对法则,hi为1到6之间的随机数, 为DNA的四种脱氧核苷酸的字母之间的自定义运算符号;

hi生成公式为:hi=[floor(100×xi)]mod6+1,其中xi为已置乱的光混沌序列的元素,(3×8×M×N+1)≤j≤(3×12×M×N),floor(x)为小于等于x的最大整数;

的具体运算规则如下所示:

步骤6.2.进行与步骤4.1和步骤4.2相反的操作,将已扩散的三个大小为4×M×N的DNA平面转化为三个M×N的加密数字矩阵平面,得到加密图像。

7.根据权利要求6所述的一种基于双混沌系统与DNA编码加密的彩色图像的加密及传输方法,其特征在于:所述步骤7的具体步骤为:将从激光器SL1产生的混沌信号作为载波信号,利用光学开关与光学加法器对加密图像进行调制,将调制后的信号在10km的单模光纤上进行传输至接收方。

8.根据权利要求7所述的一种基于双混沌系统与DNA编码加密的彩色图像的加密及传输方法,其特征在于:所述步骤8的具体步骤为:接收方根据从激光器SL2产生的混沌信号、光学开关与光学减法器对所述调制后的信号进行解调,得到所述加密图像,再根据与所述加密步骤相反的步骤得到解密后的原始图像。