一种量子混沌的并行图像加密方法技术

针对当今传统的串行混沌加密算法存在的不足，本发明专利技术提出一种基于量子混沌的并行图像加密算法。该算法首先以超混沌Lorenz映射与Chen映射生成的序列作为并行加密的输入序列，再将生成的中间密文作为量子logistic映射的输入，最后进行三维Baker最乱操作，最终达到隐藏明文信息的效果。实验仿真表明，本分明算法不仅在加密速度上远远高于传统的串行加密，而且还能有效抵抗统计特征攻击、差分攻击，达到很好的加密效果。

A parallel image encryption method based on quantum chaos

In view of the shortcomings of the traditional serial chaotic encryption algorithm, this paper proposes a parallel image encryption algorithm based on quantum chaos. The algorithm first in a sequence of hyperchaotic Lorenz mapping and Chen mapping as parallel input sequence encryption, then intermediate ciphertext generated as the quantum logistic's map input, finally 3D Baker's chaotic operation, and ultimately achieve the effect of hidden message. The simulation results show that the proposed algorithm is not only much faster than the traditional serial encryption, but also can effectively resist statistical attacks and differential attacks, and achieve good encryption results.

【技术实现步骤摘要】
一种量子混沌的并行图像加密方法
本专利技术属于灰度图像加密方法，更具体地说，尤其设计一种新型的超混沌图像加密方法。
技术介绍
随着互联网技术的高速发展，图像信息的传输成为人们生活必不可少的环节，然而以互联网为载体的图像传输过程存在的安全隐患受到越来越多海内外学者的关注。图像信息本身具有强大相关性和冗余性，而传统的加密方法，如数据加密标准(DES)、三重－数据加密标准(3-DES)、国际数据加密算法(IDEA)、改进的加密标准(AES)和RSA(RivestShamir-Adleman)，是针对文本信息加密而设计的，不适合图像加密当中。近年来专家提出许多新的图像加密技术，如超混沌系统，与logistics、chebyshev、Baker等传统混沌系统相比，具有以下优点：1)具有两个或两个以上的正Lyapunov指数；2)具有更加复杂的动力行为；3)具有更加大的密钥空间与更强的密钥敏感性等。Tajima等人还提出运用量子混沌的物理过程对图像加密，Akhshani等人首次首次运用量子混沌非线性方程对图像加密。常见的的基于混沌图像加密的的方法可分为两大类:一类是混沌扩散运算，通改变像素点的灰度值，达到图像加密的效果。另一类是混沌置乱运算，通过改变像素点的位置值，从而达到难以辨认的效果。这两类混沌图像加密方法普遍存在下面不不足之处:这两类方法加密后的密文图像的直方图存在明显的分布不均情况,容易让破解者根据像素值推断明文信息。并且密文与明文关联性不强，易受到特殊的明文(密文)这类算法攻击。此外，上述加密方法密钥单一，密钥空间较小，难以抵制解密者的统计特性方法攻击，以及穷举攻击，极容易泄露图像信息，而且这两类方法多用于图像串行加密过程，对于图片量比较大的情况下，加密速度很慢。总得来说上述两类方法不适合直接用于混沌图像加密当中。
技术实现思路
针对上述加密方法存在的不足之处，本专利技术提出一种基于量子混沌的并行图像加密方法。该方法能够很好地解决直方图不均匀，明文与密文相关性不够强，密钥空间不够大，加密速度较慢等缺点，从而达到很好的加密效果。本专利技术所述的基于量子混沌的并行加密方法，其特征在于，超混沌并行扩散过程、量子logistic扩散过程、3维Baker置乱过程(1)超混沌并行扩散过程用A表示一个大小为m×n的灰度图像，进行下面并行扩散过程：步骤1：首先输入Lorenz混沌映射的初始密钥x1、x2、x3,代入式(1)进行200次迭代，然后舍弃其前200次迭代结果，继续进行迭代，得到一个长度为m的新的混沌序列M＝(x1，x2，x3，…，xm)。其中，x1、x2、x3----状态变量；a、b、c----系统参数。当取a＝8/3，b＝10，c＝28时，系统处于混沌状态。步骤2：将输入Chen变换的初始密钥x4、x5、x6,代入式(2)进行200次迭代，然后舍弃其前200次迭代结果，继续进行迭代，得到一个长度为n的新的混沌序列N＝(x1，x2，x3，…，x％)。其中，x4、x5、x6----状态参数；α，β，γ----系统参数，当α＝35，β＝3，γ-＝28时，Chen系统处于混沌状态。步骤3：选去明文图像的像素值，以(i,j)这点像素值为例进行说明。得到(i,j)的像素值为aij，并将aij代进式(3)中计算得到r的值，最后并根据表1，得到Lorenz映射以及Chen映射相对应序列。r＝mod(αij×104,6)(3)表1Lorenz与Chen组合步骤4:图像A以3×3为单位进行分割，以其中以一个分割块；i为例，将；i(1,1)由步骤3得到Lorenz与Chen对应的混沌序列，按照式(4)进行扩散加密，得到中间密文C。加密流程如图(2)所示：其中MI表示Lorenz混沌映射对应的序列，Nj表示Chen混沌映射对应的序列。(2)量子logistic扩散过程步骤1：取明文像素的平均值avg，代入式(5)中，将计算所得的值做为量子logistic映射的系统扩散参数的β值β＝mod(avg×104，256)+6(5)步骤2：输入量子logistic映射初始密钥x0,y0,z0,首先进行200次迭代，出去前200次，从201重新进行迭代，得到一组新的混沌序列为Lm×％＝(l1,l2,…,lm×％)。步骤3：将步骤2得到的lm×％序列代入NCML(加权耦合映射格子)，如公式(6)所示，得到新的混沌Hm×％＝(h1,h2,…,hm×％)，然后与中间密文C进行异或扩散操作，得到新的中间密文C′。其中，n＝0,1,…，L-1，表示迭代次数；L表示明文长度；表示混沌映射；ε∈(0，1)是耦合参数。当选择参数ε＝0.001时该等式就会产生良好的混沌特性(3)3维Baker置乱过程步骤1：将所得的中间密文C′进行3维Baker置乱操作，得到最终密文。本专利技术有益效果：本专利技术通过将超混沌Lorenz映射与Chen映射生成的混沌序列作为并行加密的输入序列进行对图像加密，这样不但能够有效抵制经典的攻击，对图片量较大的时候还能大大提高加密速率。然后再将生成的中间密文再一次经过量子logistic混沌映射经加密，其中量子logistic混沌映射控制参数由明文信息控制，从而加大明文与密文之间的联系以及扩大密钥空间，能够有效抵制差分攻击、穷举攻击、统计攻击等常见的攻击方式，保证在信道传输的安全性，在数字多媒体信息安全领域中有广泛应用前景。附图说明图1为本专利技术的加密流程图图2并行加密流程图图3(a)为加密图图3(b)为解密图图4(a)明文灰度直方图图4(b)密文灰度直方图图5(a)明文相邻像素关系图图5(b)密文相邻像素关系图图6(a)K1解密图图6(b)K2解密图图6(c)K3解密图图6(d)K4解密图具体实施方式具体实施步骤如图1的加密流程图所示：用A表示一个大小为m×n的灰度图像，进行下面并行扩散过程：步骤1：首先输入Lorenz混沌映射的初始密钥x1、x2、x3,代入式(1)进行200次迭代，然后舍弃其前200次迭代结果，继续进行迭代，得到一个长度为m的新的混沌序列M＝(x1，x2，x3，…，xm)。其中，x1、x2、x3----状态变量；a、b、c----系统参数。当取a＝8/3，b＝10，c＝28时，系统处于混沌状态。步骤2：将输入Chen变换的初始密钥x4、x5、x6,代入式(2)进行200次迭代，然后舍弃其前200次迭代结果，继续进行迭代，得到一个长度为n的新的混沌序列N＝(x1，x2，x3，…，x％)。其中，x4、x5、x6----状态参数；α，β，γ----系统参数，当α＝35，β＝3，γ-＝28时，Chen系统处于混沌状态。步骤3：选去明文图像的像素值，以(i,j)这点像素值为例进行说明。得到(i,j)的像素值为aij，并将aij代进式(3)中计算得到r的值，最后并根据表1，得到Lorenz映射以及Chen映射相对应序列。r＝mod(aij×104,6)(3)表1Lorenz与Chen组合步骤4:图像A以3×3为单位进行分割，以其中以一个分割块；i为例，将；i(1,1)由步骤3得到Lorenz与Chen对应的混沌序列，按照式(4)进行扩散加密，得到中间密文C。加密流程如图(2)所示：其中MI表示Lorenz混沌映射对应的序列，Nj表示Ch本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于量子混沌的并行加密方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：超混沌并行扩散过程；量子logistic扩散过程；3维Baker置乱过程。

【技术特征摘要】
1.一种基于量子混沌的并行加密方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：超混沌并行扩散过程；量子logistic扩散过程；3维Baker置乱过程。2.如权利要求1所述的并行加密方法，其特征在于，所述超混沌并行扩散过程包括：用A表示一个大小为m×n的灰度图像，进行下面并行扩散过程：步骤1：首先输入Lorenz混沌映射的初始密钥x1、x2、x3,代入式(4)进行200次迭代，然后舍弃其前200次迭代结果，继续进行迭代，得到一个长度为m的新的混沌序列M＝(x1，x2，x3，…，xm)，其中，x1、x2、x3----状态变量；a、b、c----系统参数。当取a＝8/3，b＝10，c＝28时，系统处于混沌状态。步骤2：将输入Chen变换的初始密钥x4、x5、x6,代入式(5)进行200次迭代，然后舍弃其前200次迭代结果，继续进行迭代，得到一个长度为n的新的混沌序列N＝(x1，x2，x3，…，x％)，其中，x4、x5、x6----状态参数；α，β，γ----系统参数，当α＝35，β＝3，γ-＝28时，Chen系统处于混沌状态；步骤3：选取明文图像的像素值，获取(i,j)的像素值为aij，并将aij代进式(7)中计算得到r的值，最后并根据表1，得到Lo...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢国波，姜先值，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44