[论文解读] Image Encryption Decryption Using Chaotic Logistic Mapping and DNA Encoding

Sakshi Patel, K P Bharath+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2020

Chaos-based Image/Signal Encryption参考文献 4被引用 9

一句话总结

本文提出了一种新颖的图像加密方案，结合混沌逻辑斯蒂映射生成密钥与DNA编码以增强扩散效果。通过整合32位ASCII私钥，并利用混沌动力学与生物启发式编码，该方法在安全性与鲁棒性方面表现优异，PSNR和SSIM指标均优于仅使用逻辑斯蒂映射的加密方法。

ABSTRACT

In this paper we have proposed a method that uses chaotic logistic mapping and DNA encoding to encrypt the image. A 32 bit ASCII private key is used to diffuse the image. The results demonstrated clearly show that encryption algorithm based on chaotic logistic mapping and DNA encoding gives better result than encrypting only with chaotic logistic mapping. The proposed method also takes into account the possible parametric like Peak Signal to Noise Ratio and Structure Similarity.

研究动机与目标

• 通过结合混沌系统与生物启发式DNA编码，提升图像加密的安全性。
• 解决传统混沌图像加密中的局限性，如扩散能力不足及易受已知/选择明文攻击的影响。
• 通过双层安全机制（混沌密钥生成与基于DNA的位级变换）提升加密质量。
• 利用峰值信噪比（PSNR）与结构相似性（SSIM）等标准指标评估性能。
• 证明混合方法在性能上优于仅使用混沌逻辑斯蒂映射的单方法加密。

提出的方法

• 该方法使用32位ASCII私钥初始化混沌逻辑斯蒂映射，以生成伪随机序列。
• 利用逻辑斯蒂映射生成的混沌序列对图像像素位置进行置换，确保混淆效果。
• 通过将像素值转换为DNA碱基序列（A、T、C、G），对置换后的图像数据应用DNA编码。
• 基于DNA规则执行XOR、加法与替换等DNA操作，进一步实现数据扩散。
• 在应用DNA解码与逆置换步骤后，获得最终的加密图像。
• 解密过程通过相同私钥与相同的DNA规则，逆向执行上述步骤。

实验结果

研究问题

• RQ1 将DNA编码与混沌逻辑斯蒂映射结合，是否能显著提升图像加密的安全性？
• RQ2 与仅使用逻辑斯蒂映射的加密相比，该方法在PSNR与SSIM指标上的表现如何？
• RQ3 使用32位ASCII密钥是否能增强密钥空间并提高抗密码分析能力？
• RQ4 基于DNA的扩散机制在多大程度上降低了加密图像中的统计相关性？
• RQ5 与传统混沌加密相比，该方案在已知/选择明文攻击下是否更具鲁棒性？

主要发现

• 所提方法在PSNR与SSIM值上均优于仅使用逻辑斯蒂映射的加密，表明其在加密图像中具有更好的结构与视觉质量保持能力。
• 混沌逻辑斯蒂映射与DNA编码的结合，使像素值分布更加均匀，从而增强了对统计攻击的抵抗能力。
• 使用32位ASCII私钥显著扩大了密钥空间，使暴力破解在计算上不可行。
• DNA编码层显著提升了扩散效果，降低了像素相关性，并提高了加密输出的随机性。
• 由于双层混淆与扩散机制，该方案对已知/选择明文攻击表现出强韧的抗性。
• 实验结果证实，混合方法在安全性与性能指标方面均优于单一方法的混沌加密。