一种基于超混沌系统的量子图像加密方法技术方案

一种基于超混沌系统的量子图像加密方法，利用控制非操作实现量子图像的异或操作来完成量子图像加密，即将陈氏超混沌系统用于生成超混沌序列，经处理后的超混沌序列用于控制单位变换和非门从而构造控制非变换，然后利用控制非操作实现量子图像的异或操作，进而完成量子图像的加密。本发明专利技术首次构造了量子图像异或操作并应用于量子图像加密，可增强加密算法的抗攻击性和安全性。陈氏超混沌系统的初始条件作为加密算法的密钥，起到了扩大密钥空间的作用，该算法能够抵制强力攻击，使得密钥更容易分配，存储和记忆。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术专利属于信息安全
，特别涉及图像加密技术。
技术介绍
随着多媒体技术和网络技术的高速发展，越来越多的私密信息被存储进图像中图 像成为网络通信中的一种重要信息载体。因此，如何保证图像中各种私密敏感图像的信息 的安全成为了人们关注的热点问题之一。 图像加密源于早期的经典加密理论，其目的是隐藏图像本身的真实信息，使窃取 者在得到密文后无法获得原始图像，而授权的接收方可用预先约定的密钥和解密方法，对 密文进行解密。传统的加密技术主要依靠计算机或数字信号处理器等电子器件来实现，这 些方法受到速度和成本的限制。20世纪90年代以后，随着信息技术的广泛应用，研究人员 开始研究更加安全、高效的图像加密技术，他们把目光投向基于量子力学理论与方法的图 像加密方法。与传统的加密技术相比，量子图像加密技术具有多维、大容量、高设计自由度、 高鲁棒性、天然的并行性、难以破解等诸多优势，因而倍受青睐，成为近年来国际上比较热 门的新一代密码理论与技术。 混沌现象是非线性动态系统中产生的伪随机过程，具有初值的极端敏感性、非周 期性及遍历性等特点而被应用于加密体制中。目前研究基于混沌理论的信息加密技术是信 息科学和非线性科学两个领域交叉融合的热点问题之一，已有很多文献介绍了多种图像混 沌加密方案。Fridrich首次提出了基于混沌系统的图像加密算法，该算法能够有效地实现 密码体制的混淆和扩散，具有良好的安全性能。2014年，NorouziB等基于超混沌系统提 出了图像加密的新方案，该方案利用两个超混沌系统产生伪随机密钥来增加密钥的安全性 和敏感性。随着量子计算的发展，经典的图像加密也延伸到了量子领域。Tajima等提出了 一种采用量子混沌的物理过程进行信息加密的算法，Akhshani等首次提出了基于量子混沌 系统非线性方程的图像加密方法，2013年，罗玉玲等基于量子Logistic混沌和离散小波变 换，提出了一种置乱与扩散相结合的自适应图像加密方案，2014年，王宰等基于量子小波变 换和双扩散操作提出了一个新的量子图像加密方案，方案中Logistic混沌映射用于生成 加密密钥。 与混沌系统相比，超混沌系统具有更复杂的非线性动力学特性。为了增强量子图 像加密算法的安全性和高效性，本专利技术专利首次构造了量子图像异或操作，提出了一种基 于超混沌系统的量子图像加密算法，该算法中陈氏超混沌系统用于生成超混沌序列，经处 理后的超混沌序列被用于控制单位操作和非操作从而构造出控制非操作，然后利用控制非 操作实现量子图像的异或操作，进而完成量子图像的加密。基于新型增强的量子图像表示 将超混沌理论引入到量子图像加密算法中实现量子信息理论与图像加密技术的结合，增强 了加密算法的抗攻击性和安全性。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是将超混沌系统引入量子图像加密当中，作为量子图像加密的 新工具，为量子图像加密技术提供新的途径。 考虑到量子图像加密技术的优点，本专利技术的另一个目的是利用量子力学的基本概 念与基本理论，充分发挥量子力学具有的相干性、纠缠性以及量子态叠加性等特性，设计出 具有高敏感性和高并行处理能力的量子图像加密系统。 本专利技术的目的之三是增强加密系统的安全性。根据密码学的基本原理，一个有效 的加密方案需要对密钥具有高度敏感性，且具有一个非常大的密钥空间使得暴力攻击无 效。陈氏超混沌系统的初始条件具有相当高的敏感性，作为加密算法的密钥，起到了扩大密 钥空间的作用，增强了加密算法的抗攻击性和安全性。 本专利技术是通过以下技术方案实现的。 (1)本专利技术的技术方案是：利用陈氏超混沌系统生成超混沌序列，经处理后的超 混沌序列被用于控制单位操作和非操作从而构造出控制非操作，然后利用控制非操作实现 量子图像的异或操作，进而完成量子图像的加密。 超混沌系统具有复杂的非线性动力学特性，用于实现对量子图像灰度信息的异或 操作，可增强加密系统的安全性。 (2)本专利技术所述的加密过程是：使用陈氏超混沌系统产生超混沌序列用于加密量 子图像，把量子图像异或操作分解成2 &个子操作，对每个像素点的灰度信息进行异或操 作。主要依据是： 新型增强量子图像表示： -幅图像中的每个像素都有其对应的位置，而每一个位置都会有其对应的颜色。 在经典灰度图像中，每个像素都由灰度值和位置信息构成，其灰度值的变化范围为〇~ 255,范围较小，图像的表述不是很复杂，所以可用二进制字符串编码其灰度值。新提出的增 强的量子图像表示就是使用两个纠缠的量子比特序列存储灰度信息和位置信息，利用两个 纠缠的量子比特序列的叠加存储整幅图像。经典图像表示成量子图像的流程图如图1所 示。对于一个2nX2n图像，其量子图像表达式为： 其中，|g(y，x)>是量子比特序列，它被用于编码量子图像坐标（y，x)处像素点的 灰度信息。|yx>= |y>|x>= |ynlynyy〇>|xniXnfx。〉用于编码量子图像的位置信息。 编码一幅经典灰度图像对应的量子图像所需的量子比特数为2n+8。 陈氏超混沌系统的定义： 其中a，b，c，d和k是系统的参数。当参数a= 36，b= 3,c= 28,d=-16及-0· 7 <k< 0. 7时，陈氏超混沌系统处于超混沌状态，能够产生超四个混沌序列。加密方案中， 陈氏超混沌系统产生超混沌序列用于加密量子图像。 (3)本专利技术是利用陈氏超混沌系统生成超混沌序列，通过选择合适的超混沌序列 来控制单位操作和非操作从而构造量子变换，然后利用量子变换实现对量子图像所有灰度 值的异或操作达到完成量子图像加密的目的。 具体量子图像异或操作实现方式是：把量子图像异或操作分解成22n个子操作分 别对每个像素点的灰度信息进行异或操作。利用多个非操作和单位操作构造出控制非操作 进而构造量子变换用于实现量子图像特定位置的灰度信息的异或操作。因此，可以使用22n 个量子变换来实现对量子图像所有灰度信息的异或操作。 (4)具有良好安全性的超混沌系统加密算法。 本专利技术所提出的基于超混沌系统的量子图像加密算法，首次构造了量子图像异或 操作并应用于量子图像加密。由于超混沌系统相对于混沌系统具有更复杂的非线性动力学 特性，超混沌理论引入到量子图像加密算法中实现量子信息理论与图像加密技术的结合， 可增强加密算法的抗攻击性和安全性。陈氏超混沌系统的初始条件具有相当高的敏感性， 作为加密算法的密钥，起到了扩大密钥空间的作用，该算法能够抵制强力攻击。此外，陈氏 超混沌系统的初始条件作为密钥，使得密钥更容易分配，存储和记忆。【附图说明】 图1是经典图像表示成量子图像的流程图。当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于超混沌系统的量子图像加密算法，其特征是利用控制非操作实现量子图像的异或操作来完成量子图像加密。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周南润，陈伟伟，谭如超，华天祥，何祥涛，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：江西;36