一种基于量子混沌和混沌复动力系统的图像加密方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于量子混沌和复混沌系统的图像加密方法。步骤1：输入明文图像，根据明文图像中的信息设置量子混沌系统的初始条件，根据量子混沌系统的数学表达式，得到该系统的迭代状态值；步骤2：利用状态值序列得到置乱过程中所需的密码，通过Arnold矩阵计算图像矩阵中像素点的位置；步骤3：根据混沌复动力系统的表达式得到该系统的迭代状态序列；步骤4：再结合DNA编码规则对图像像素进行扩散，并最终得到密文图像，完成加密过程。通过量子混沌映射的迭代状态和Arnold矩阵的结合，打乱明文图像中像素点的排列规律；再通过混沌复动力系统的迭代状态与DNA计算与编码规则相结合，改变明文图像的像素值。

An image encryption method based on quantum chaos and chaotic complex dynamic system

【技术实现步骤摘要】
一种基于量子混沌和混沌复动力系统的图像加密方法
本专利技术属于图像加密
；具体涉及一种基于量子混沌和混沌复动力系统的图像加密方法。
技术介绍
数字图像文件作为多媒体文件的一类，在互联网空间中广泛的传播。由于图像数据具有数据量大，数据关联性强和数据冗余量大等特点。所以传统的文本加密算法无法胜任对图像文件的加密要求。近年来，随着信息安全的问题日益凸显，混沌科学逐渐成为了研究的热点。由于混沌系统具有初值敏感性、类噪声性和遍历性等特点，使其在密码学应用中具有特有的优势。此外，混沌序列通过简单迭代即可生成，故能满足实时加密的要求。1998年，J.Fridrich提出了基于混沌系统的迭代状态值得图像像素点置乱算法，开启了混沌数字图像加密算法的研究。低维离散混沌映射因其具有实现简单，迭代开销小等优点而被广泛地应用于密码学。然而，随着计算机和云计算的发展，许多低维混沌映射因其具有较少的系统参数和变量，且结构简单，在应用于密码学时，其加密的初始条件、参数和运动轨迹可能被混沌信号评估技术所预测，从而存在安全隐患。相比较而言，高维混沌映射(尤其是超混沌映射)具有较多的系统参数和变量，复杂的系统结构，所以具有更高的安全性。因此，高维混沌映射是密码学应用中的潜在理想模型。为了提高图像加密算法的安全性，研究者提出了许多构造强化混沌系统的方法，如调制、耦合、级联、维数拓展等，并已被证明了有效性。但是基于这些单一的方法，仍难以保障混沌系统的安全性。如级联混沌能增加系统的复杂性，但是无法克服密钥空间较小的不足。因此，如何设计一个安全性高的图像加密算法具有重要的现实意义和研究价值。
技术实现思路
本专利技术提供的这种图像加密算法，通过量子混沌映射的迭代状态和Arnold矩阵的结合，打乱明文图像中像素点的排列规律；再通过混沌复动力系统的迭代状态与DNA计算与编码规则相结合，改变明文图像的像素值。本专利技术通过以下技术方案实现：一种基于量子混沌和混沌复动力系统的图像加密方法，所述图像加密方法具体为：步骤1：输入明文图像，根据明文图像中的信息设置量子混沌系统的初始条件，根据量子混沌系统的数学表达式，得到该系统的迭代状态值；步骤2：利用步骤1中的状态值序列得到置乱过程中所需的密码，通过Arnold矩阵计算图像矩阵中像素点的位置；步骤3：根据混沌复动力系统的表达式得到该系统的迭代状态序列；步骤4：根据步骤3的迭代状态序列再结合DNA编码规则对图像像素进行扩散，并最终得到密文图像，完成加密过程。进一步的，所述步骤1中具体为采用如下公式进行计算：式中γ,β为量子混沌系统的系数参数，x,y,z为量子混沌系统的变量。a,b为Arnold矩阵的系数。(m,n)为图像矩阵中的像素点的位置。N图像灰度值等级数。步骤3中，具体为将混沌复动力系统的参数和初始条件作为像素值扩散环节的密钥计算的迭代状态，迭代状态序列作为像素值扩散环节的密码。所需的混沌复动力系统方程如下所示：式中a,b,c,k为混沌复动力系统的系数参数，x,y,z,w为混复沌系统的变量。进一步的，所述步骤4具体为，步骤4.1：将置乱图像矩阵和密码序列转换为以4种脱氨核苷酸为基本单位的DNA序列；步骤4.2：采用碱基互补配对原则打乱置乱图像矩阵的DNA排列规律，得到原有置乱图像矩阵的互补序列。步骤4.3：已进行DNA编码的混沌复动力系统的混沌序列结合DNA计算规则对图像矩阵中的像素值进行改变；经过两轮扩散操作之后得到最终的密文图像。本专利技术的有益效果是：本专利技术通过采用两个混沌系统作为加密算法的密钥序列生成器，不仅可以增加了作为密钥的系统参数的数量，拓展了密钥空间；同时增加了作为密码的混沌系统迭代状态值的维数，加密算法可以在不同的加密环节选择来自不同系统，不同维度的迭代状态序列作为密码；使得攻击者无法准确破解所有环节的密码，算法通过多轮计算得到的密文图像是一种类似噪声的图像，从而达到掩盖明文图像像素点的统计规律和能满足目前的各种实际应用需求，使得非法访问者从中无法获得任何关于明文的有效信息；能够满足目前图像保护的需求。附图说明图1为本专利技术的加密算法流程图。图2为本专利技术的解密算法流程图图3为量子混沌映射的混沌动力学特性，图3-(a)为系统相图，图3-(b)为分叉图，图3-(c)为复杂度。图4为混沌复动力系统的混沌动力学特性，图4-(a)为系统相图，图4-(b)为分叉图，图4-(c)为复杂度。图5为明文图像通过本专利技术的加密算法所得的密文图像和解密图像，图5-(a)为明文图像，图5-(b)为加密所得的密文图像，图5-(c)为解密图像。图6为密钥敏感性的测试结果，图6-(a)为明文图像，图6-(b)为加密所得的密文图像，图6-(c)为窃取者接收图像。图7为明文图像与密文图像的像素点直方图，图7-(a)为明文图像像素点直方图，图7-(b)为密文图像像素点直方图。图8为明文图像与密文图像相邻像素关系图，图8-(a)为明文图像相邻像素关系图，图8-(b)为密文图像相邻像素关系图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例1一种基于量子混沌和混沌复动力系统的图像加密方法，所述图像加密方法具体为：步骤1：输入明文图像，根据明文图像中的信息设置量子混沌系统的初始条件，根据量子混沌系统的数学表达式，得到该系统的迭代状态值；步骤2：利用步骤1中的状态值序列得到置乱过程中所需的密码，通过Arnold矩阵计算图像矩阵中像素点的位置；从而达到置乱图像的目的；步骤3：根据混沌复动力系统的表达式，将混沌复动力系统的参数和初始条件作为像素值扩散环节的密钥计算的迭代状态，迭代状态序列作为像素值扩散环节的密码。步骤4：根据步骤3的迭代状态序列再结合DNA编码规则对图像像素进行扩散，并最终得到密文图像，完成加密过程。步骤1和步骤3采用两种不同类型的混沌系统作为密码生成器；两种混沌系统的系统参数和初始条件的不同提高了密钥的安全性，拓展了算法的密钥空间。进一步的，所述步骤2中具体为采用如下公式进行计算：式中a,b为Arnold矩阵的系数，x,y,z为量子混沌系统的变量。a,b的取值由Cx,Cy,Cz所决定。N图像灰度值等级数，H与W分别表示图像矩阵中行元素与列元素的总数。进一步的，所述步骤4中所需的DNA编码如下所示：表1.DNA编码规则表2.DNA计算规则进一步的，所述步骤4具体为，步骤4.1：将置乱图像矩阵和密码序列转换为以4种本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于量子混沌和混沌复动力系统的图像加密方法，其特征在于，所述图像加密方法具体为：/n步骤1：输入明文图像，根据明文图像中的信息设置量子混沌系统的初始条件，根据量子混沌系统的数学表达式，得到该系统的迭代状态值；/n步骤2：利用步骤1中的状态值序列得到置乱过程中所需的密码，通过Arnold矩阵计算图像矩阵中像素点的位置；/n步骤3：根据混沌复动力系统的表达式得到该系统的迭代状态序列；/n步骤4：根据步骤3的迭代状态序列再结合DNA编码规则对图像像素进行扩散，并最终得到密文图像，完成加密过程。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于量子混沌和混沌复动力系统的图像加密方法，其特征在于，所述图像加密方法具体为：
步骤1：输入明文图像，根据明文图像中的信息设置量子混沌系统的初始条件，根据量子混沌系统的数学表达式，得到该系统的迭代状态值；
步骤2：利用步骤1中的状态值序列得到置乱过程中所需的密码，通过Arnold矩阵计算图像矩阵中像素点的位置；
步骤3：根据混沌复动力系统的表达式得到该系统的迭代状态序列；
步骤4：根据步骤3的迭代状态序列再结合DNA编码规则对图像像素进行扩散，并最终得到密文图像，完成加密过程。


2.根据权利要求1所述图像加密方法，其特征在于，所述步骤1中具体为采用如下公式进行计算：






式中γ,β为量子混沌系统的系数参数，x,y,z为量子混沌系统的变量，a,b为Arnold矩阵的系数，(m,n)为图像矩阵中的像素点的位置，N图像灰度值等级数。

【专利技术属性】
技术研发人员：陈啸，
申请(专利权)人：宁波海特技术转移有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33