基于DNA序列和自组装的图像加密研究

论文摘要

随着互联网的迅猛发展,通过网络传递图像信息已经变得十分普遍。因为这种传递方式不仅不受地域地限制,而且高效快速,同时还可以节约大量的费用。但是由于网络自身存在的协议、系统等方面的缺陷,人们在享受网络传递带来的便捷的同时,不得不考虑如何提高图像信息的安全性。图像加密技术就是为了防止重要的图像信息被非法的盗取或篡改。目前,图像加密技术已经广泛地应用到了政府、军事部门、医疗、商业及个人安全系统等多领域中,并发挥着重要的作用。基于此背景,本文的主要研究内容就是以DNA序列和自组装为手段,研究新型的图像加密技术,从而提高图像信息的安全性。研究分为两大部分,基于DNA序列的图像加密算法研究和面向图像加密的DNA自组装设计。新的图像加密方法包括如下几种：第一,提出了一种基于混沌游戏表示法的图像加密方法。利用混沌游戏表示法的思想,结合图像信息的特殊性,实现对图像信息的有效加密。并将天然DNA序列作为密钥,进一步地提高加密的安全性。第二,提出了一种基于Hao分形法的图像加密方法。按照图像信息的特点,将Hao分形法进行改进,提出了一种新的图像加密方法。为了实现像素的扩散效果,定义了新的DNA序列操作。第三,提出了一种基于RT-DNA元胞自动机的图像加密方法。提出了一个新的元胞自动机模型,即DNA元胞自动机。对一维DNA元胞自动机,T型DNA元胞自动机以及RT-DNA元胞自动机进行了理论定义,并在离散时间上定义了转换函数。利用新定义的RT-DNA元胞自动机实现对图像的加密。面向图像加密的DNA自组装模型设计方面取得的科研成果如下：第一,实现了基于DNA自组装技术的一次一密图像加密系统。利用DNA计算具有超大并行性和海量存储能力的特性,使用DNA自组装模型实现面向图像信息的一次密的加密系统。通过DNA瓦片自组装过程,构建自组装模型,完成对图像信息的加密和解密。为图像信息的加密和存储提供了一种新的方法。第二,实现了面向图像加密的元胞自动机的DNA自组装设计。不仅设计了初等DNA元胞自动机通式,同时给出了初等XOR-DNA元胞自动机和T型XOR-DNA元胞自动机的自组装设计方案。特别地,根据图像加密的特点,给出了面向图像加密的元胞自动机自组装设计方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• CONTENTS
• 图表目录
• 主要符号表
• 1 绪论
• 1.1 背景意义
• 1.2 国内外进展
• 1.3 传统的加密方法介绍
• 1.3.1 基于数学概念的加密方法
• 1.3.2 基于秘密分割和秘密共享的加密方法
• 1.3.3 基于压缩技术的加密方法
• 1.3.4 基于现代密码学的加密方法
• 1.3.5 基于变换域的加密方法
• 1.4 基于混沌的加密方法介绍
• 1.4.1 混沌理论介绍
• 1.4.2 混沌加密介绍
• 1.5 基于DNA密码学的加密方法介绍
• 1.5.1 DNA计算介绍
• 1.5.2 DNA密码学介绍
• 1.5.3 主要的加密方法
• 1.5.4 存在的问题及分析
• 1.6 本文主要研究内容与思路
• 2 基于混沌游戏表示法的图像加密方法
• 2.1 混沌游戏表示法介绍
• 2.1.1 迭代函数系统
• 2.1.2 基于混沌游戏的DNA序列表示
• 2.2 基于混沌游戏的置乱方法
• 2.2.1 置乱方法设计
• 2.2.2 简单例子实现
• 2.3 修正密钥设计方案
• 2.3.1 密钥及修正值要求
• 2.3.2 常用密钥修正方法
• 2.3.3 新密钥修正方法
• 2.4 基于混沌游戏映射的扩散方法
• 2.4.1 扩散模板设计
• 2.4.2 扩散方法设计
• 2.5 算法设计及流程
• 2.6 实验仿真与结果
• 2.7 算法置乱程度分析
• 2.7.1 置乱程度评价参数
• 2.7.2 置乱程度定量分析
• 2.8 安全性能分析
• 2.8.1 密钥安全性分析
• 2.8.2 相关性分析
• 2.8.3 灰度直方图分析
• 2.8.4 差分攻击分析
• 2.9 本章小结
• 3 基于Hao分形法的图像加密方法
• 3.1 Hao分形法介绍
• 3.2 新的置乱方法
• 3.3 新的DNA扩散方法
• 3.4 算法设计及流程
• 3.5 实验仿真与结果
• 3.6 置乱程度及安全性能分析
• 3.6.1 置乱程度分析
• 3.6.2 安全性能分析
• 3.7 本章小结
• 4 基于RT-DNA元胞自动机的图像加密方法
• 4.1 元胞自动机的基本理论
• 4.1.1 元胞自动机的定义
• 4.1.2 元胞自动机的组成
• 4.2 元胞自动机的加密技术
• 4.2.1 元胞自动机的加密技术概述
• 4.2.2 可逆元胞自动机的加密技术
• 4.3 DNA元胞自动机
• 4.3.1 一维DNA元胞自动机
• 4.3.2 T型DNA元胞自动机
• 4.3.3 RT-DNA元胞自动机
• 4.4 图像加密算法设计及流程
• 4.4.1 DNA模板
• 4.4.2 算法描述
• 4.5 实验仿真与结果
• 4.6 置乱程度及安全性能分析
• 4.6.1 置乱程度分析
• 4.6.2 安全性能分析
• 4.7 本章小结
• 5 面向图像的一次一密DNA自组装设计
• 5.1 DNA自组装
• 5.2 DNA瓦片设计
• 5.2.1 明文瓦片设计
• 5.2.2 加密瓦片设计
• 5.2.3 密文瓦片设计
• 5.2.4 密钥瓦片设计
• 5.2.5 解密瓦片设计
• 5.3 密钥传递与安全分析
• 5.3.1 密钥传递
• 5.3.2 安全分析
• 5.4 本章小结
• 6 面向图像加密的元胞自动机的DNA自组装设计
• 6.1 初等DNA元胞自动机通式设计
• 6.1.1 起始瓦片通式设计
• 6.1.2 过程瓦片通式设计
• 6.1.3 终结瓦片通式设计
• 6.2 初等XOR-DNA元胞自动机设计
• 6.2.1 起始瓦片设计
• 6.2.2 过程瓦片设计
• 6.2.3 终结瓦片设计
• 6.3 初等T型XOR-DNA元胞自动机设计
• 6.3.1 随机瓦片设计
• 6.3.2 起始瓦片设计
• 6.3.3 过程瓦片设计
• 6.3.4 终结瓦片设计
• 6.4 面向图像加密的元胞自动机自组装设计
• 6.4.1 密钥组装设计
• 6.4.2 原文瓦片及其组装设计
• 6.4.3 加密自组装设计
• 6.4.4 密文自组装设计
• 6.4.5 解密自组装设计
• 6.5 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.1.1 主要研究内容及成果
• 7.1.2 不足之处
• 7.1.3 创新点摘要
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间科研项目及科研成果
• 致谢
• 作者简介