一種基于超混沌系統(tǒng)的量子圖像加密方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明專(zhuān)利屬于信息安全技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及圖像加密技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，越來(lái)越多的私密信息被存儲(chǔ)進(jìn)圖像中圖 像成為網(wǎng)絡(luò)通信中的一種重要信息載體。因此，如何保證圖像中各種私密敏感圖像的信息 的安全成為了人們關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。
[0003] 圖像加密源于早期的經(jīng)典加密理論，其目的是隱藏圖像本身的真實(shí)信息，使竊取 者在得到密文后無(wú)法獲得原始圖像，而授權(quán)的接收方可用預(yù)先約定的密鑰和解密方法，對(duì) 密文進(jìn)行解密。傳統(tǒng)的加密技術(shù)主要依靠計(jì)算機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器等電子器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，這 些方法受到速度和成本的限制。20世紀(jì)90年代以后，隨著信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，研究人員 開(kāi)始研究更加安全、高效的圖像加密技術(shù)，他們把目光投向基于量子力學(xué)理論與方法的圖 像加密方法。與傳統(tǒng)的加密技術(shù)相比，量子圖像加密技術(shù)具有多維、大容量、高設(shè)計(jì)自由度、 高魯棒性、天然的并行性、難以破解等諸多優(yōu)勢(shì)，因而倍受青睞，成為近年來(lái)國(guó)際上比較熱 門(mén)的新一代密碼理論與技術(shù)。
[0004] 混沌現(xiàn)象是非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中產(chǎn)生的偽隨機(jī)過(guò)程，具有初值的極端敏感性、非周 期性及遍歷性等特點(diǎn)而被應(yīng)用于加密體制中。目前研究基于混沌理論的信息加密技術(shù)是信 息科學(xué)和非線(xiàn)性科學(xué)兩個(gè)領(lǐng)域交叉融合的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，已有很多文獻(xiàn)介紹了多種圖像混 沌加密方案。Fridrich首次提出了基于混沌系統(tǒng)的圖像加密算法，該算法能夠有效地實(shí)現(xiàn) 密碼體制的混淆和擴(kuò)散，具有良好的安全性能。2014年，NorouziB等基于超混沌系統(tǒng)提 出了圖像加密的新方案，該方案利用兩個(gè)超混沌系統(tǒng)產(chǎn)生偽隨機(jī)密鑰來(lái)增加密鑰的安全性 和敏感性。隨著量子計(jì)算的發(fā)展，經(jīng)典的圖像加密也延伸到了量子領(lǐng)域。Tajima等提出了 一種采用量子混沌的物理過(guò)程進(jìn)行信息加密的算法，Akhshani等首次提出了基于量子混沌 系統(tǒng)非線(xiàn)性方程的圖像加密方法，2013年，羅玉玲等基于量子Logistic混沌和離散小波變 換，提出了一種置亂與擴(kuò)散相結(jié)合的自適應(yīng)圖像加密方案，2014年，王宰等基于量子小波變 換和雙擴(kuò)散操作提出了一個(gè)新的量子圖像加密方案，方案中Logistic混沌映射用于生成 加密密鑰。
[0005] 與混沌系統(tǒng)相比，超混沌系統(tǒng)具有更復(fù)雜的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)特性。為了增強(qiáng)量子圖 像加密算法的安全性和高效性，本發(fā)明專(zhuān)利首次構(gòu)造了量子圖像異或操作，提出了一種基 于超混沌系統(tǒng)的量子圖像加密算法，該算法中陳氏超混沌系統(tǒng)用于生成超混沌序列，經(jīng)處 理后的超混沌序列被用于控制單位操作和非操作從而構(gòu)造出控制非操作，然后利用控制非 操作實(shí)現(xiàn)量子圖像的異或操作，進(jìn)而完成量子圖像的加密。基于新型增強(qiáng)的量子圖像表示 將超混沌理論引入到量子圖像加密算法中實(shí)現(xiàn)量子信息理論與圖像加密技術(shù)的結(jié)合，增強(qiáng) 了加密算法的抗攻擊性和安全性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的之一是將超混沌系統(tǒng)引入量子圖像加密當(dāng)中，作為量子圖像加密的 新工具，為量子圖像加密技術(shù)提供新的途徑。
[0007] 考慮到量子圖像加密技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明的另一個(gè)目的是利用量子力學(xué)的基本概 念與基本理論，充分發(fā)揮量子力學(xué)具有的相干性、糾纏性以及量子態(tài)疊加性等特性，設(shè)計(jì)出 具有高敏感性和高并行處理能力的量子圖像加密系統(tǒng)。
[0008] 本發(fā)明的目的之三是增強(qiáng)加密系統(tǒng)的安全性。根據(jù)密碼學(xué)的基本原理，一個(gè)有效 的加密方案需要對(duì)密鑰具有高度敏感性，且具有一個(gè)非常大的密鑰空間使得暴力攻擊無(wú) 效。陳氏超混沌系統(tǒng)的初始條件具有相當(dāng)高的敏感性，作為加密算法的密鑰，起到了擴(kuò)大密 鑰空間的作用，增強(qiáng)了加密算法的抗攻擊性和安全性。
[0009] 本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0010] (1)本發(fā)明的技術(shù)方案是：利用陳氏超混沌系統(tǒng)生成超混沌序列，經(jīng)處理后的超 混沌序列被用于控制單位操作和非操作從而構(gòu)造出控制非操作，然后利用控制非操作實(shí)現(xiàn) 量子圖像的異或操作，進(jìn)而完成量子圖像的加密。
[0011] 超混沌系統(tǒng)具有復(fù)雜的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)特性，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)量子圖像灰度信息的異或 操作，可增強(qiáng)加密系統(tǒng)的安全性。
[0012] (2)本發(fā)明所述的加密過(guò)程是：使用陳氏超混沌系統(tǒng)產(chǎn)生超混沌序列用于加密量 子圖像，把量子圖像異或操作分解成2 &個(gè)子操作，對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)的灰度信息進(jìn)行異或操 作。主要依據(jù)是：
[0013] 新型增強(qiáng)量子圖像表示：
[0014] -幅圖像中的每個(gè)像素都有其對(duì)應(yīng)的位置，而每一個(gè)位置都會(huì)有其對(duì)應(yīng)的顏色。 在經(jīng)典灰度圖像中，每個(gè)像素都由灰度值和位置信息構(gòu)成，其灰度值的變化范圍為〇~ 255,范圍較小，圖像的表述不是很復(fù)雜，所以可用二進(jìn)制字符串編碼其灰度值。新提出的增 強(qiáng)的量子圖像表示就是使用兩個(gè)糾纏的量子比特序列存儲(chǔ)灰度信息和位置信息，利用兩個(gè) 糾纏的量子比特序列的疊加存儲(chǔ)整幅圖像。經(jīng)典圖像表示成量子圖像的流程圖如圖1所 示。對(duì)于一個(gè)2nX2n圖像，其量子圖像表達(dá)式為：
[0015]
[0016]
[0017] 其中，|g(y，x)>是量子比特序列，它被用于編碼量子圖像坐標(biāo)（y，x)處像素點(diǎn)的 灰度信息。|yx>= |y>|x>= |ynlynyy〇>|xniXnfx?！涤糜诰幋a量子圖像的位置信息。 編碼一幅經(jīng)典灰度圖像對(duì)應(yīng)的量子圖像所需的量子比特?cái)?shù)為2n+8。
[0018] 陳氏超混沌系統(tǒng)的定義：
[0019]
[0020] 其中a，b，c，d和k是系統(tǒng)的參數(shù)。當(dāng)參數(shù)a= 36，b= 3,c= 28,d=-16及-0· 7 <k< 0. 7時(shí)，陳氏超混沌系統(tǒng)處于超混沌狀態(tài)，能夠產(chǎn)生超四個(gè)混沌序列。加密方案中， 陳氏超混沌系統(tǒng)產(chǎn)生超混沌序列用于加密量子圖像。
[0021] (3)本發(fā)明是利用陳氏超混沌系統(tǒng)生成超混沌序列，通過(guò)選擇合適的超混沌序列 來(lái)控制單位操作和非操作從而構(gòu)造量子變換，然后利用量子變換實(shí)現(xiàn)對(duì)量子圖像所有灰度 值的異或操作達(dá)到完成量子圖像加密的目的。
[0022] 具體量子圖像異或操作實(shí)現(xiàn)方式是：把量子圖像異或操作分解成22n個(gè)子操作分 別對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)的灰度信息進(jìn)行異或操作。利用多個(gè)非操作和單位操作構(gòu)造出控制非操作 進(jìn)而構(gòu)造量子變換用于實(shí)現(xiàn)量子圖像特定位置的灰度信息的異或操作。因此，可以使用22n 個(gè)量子變換來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)量子圖像所有灰度信息的異或操作。
[0023] (4)具有良好安全性的超混沌系統(tǒng)加密算法。
[0024] 本發(fā)明所提出的基于超混沌系統(tǒng)的量子圖像加密算法，首次構(gòu)造了量子圖像異或 操作并應(yīng)用于量子圖像加密。由于超混沌系統(tǒng)相對(duì)于混沌系統(tǒng)具有更復(fù)雜的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué) 特性，超混沌理論引入到量子圖像加密算法中實(shí)現(xiàn)量子信息理論與圖像加密技術(shù)的結(jié)合， 可增強(qiáng)加密算法的抗攻擊性和安全性。陳氏超混沌系統(tǒng)的初始條件具有相當(dāng)高的敏感性， 作為加密算法的密鑰，起到了擴(kuò)大密鑰空間的作用，該算法能夠抵制強(qiáng)力攻擊。此外，陳氏 超混沌系統(tǒng)的初始條件作為密鑰，使得密鑰更容易分配，存儲(chǔ)和記憶。
【附圖說(shuō)明】
[0025] 圖1是經(jīng)典圖像表示成量子圖像的流程圖。