一种用于篡改检测和自恢复的量子图像水印方法技术

本发明专利技术公开了一种用于篡改检测和自恢复的量子图像水印方法，属于量子图像处理技术领域，将自恢复水印引入到量子水印中，并基于两级篡改检测完成量子图像的篡改定位与自恢复；具体包括如下步骤：量子图像制备；水印生成与嵌入；图像篡改检测，包括第一层篡改检测和第二层篡改检测；图像自恢复。本发明专利技术使用LSB替换方法并借助密钥图像将恢复位和认证位作为水印位嵌入到载体图像中；设计了一个两级篡改检测和定位方法，增加了篡改检测的准确性；根据篡改检测的结果，在图像自恢复阶段采用两种不同的恢复方法，增强了恢复图像的质量。增强了恢复图像的质量。增强了恢复图像的质量。

【技术实现步骤摘要】
一种用于篡改检测和自恢复的量子图像水印方法


[0001]本专利技术属于量子图像处理
，具体涉及一种用于篡改检测和自恢复的量子图像水印方法。

技术介绍

[0002]量子计算与量子信息处理是当下的热门领域，受到了大量学者的关注。量子信息处理(QIP)将量子力学与经典计算机体系相结合形成了量子计算体系。由于利用量子的叠加性、纠缠性等特殊性质，量子计算体系具有较传统计算体系更快的处理速度，并且能够处理部分传统计算领域不能解决的问题。近二十年来随着量子信息处理领域的迅速发展，量子计算与传统图像处理结合形成的交叉学科量子图像处理(QIMP)也被大量研究者涉足。大量QIMP相关的研究成果被提出。
[0003]数字水印是将特定的信息嵌入到数字载体中以保护数字产品版权、完整性或安全性的技术。近几十年计算机技术得到了快速发展，信息的获取、拷贝、处理变得越来越容易。因此，数字水印技术受到了相关科研工作者的重视。
[0004]量子水印将数字水印扩展到量子计算系统中。当下对量子水印的研究分为将传统数字水印方法转换成量子水印方法及利用量子的特性提出新本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于篡改检测和自恢复的量子图像水印方法，其特征在于，将自恢复水印引入到量子水印中，并基于两级篡改检测方法完成量子图像的篡改定位与自恢复；具体包括如下步骤：步骤1、量子图像制备，具体过程如下：步骤1.1、将灰度范围为[0,2
q
‑
1]的尺寸为2
n
×2n
的灰度载体图像转换为基于NEQR的量子载体图像|C>，表示形式如下：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）其中，q、n均表示量子位数；，|f
YX
>代表量子载体图像|C>像素的颜色信息，表示量子载体图像|C>颜色信息的具体序列，且；|YX>
C
表示量子载体图像|C>像素的坐标位置，|Y>表示像素在Y方向的坐标，|X>表示像素在X方向的坐标；步骤1.2、准备尺寸为2
n
×2n
的基于NEQR的空图像|T>和两个空秘密图像|K>和，表示如下：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（4）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（5）其中，，|t
YX
>代表空图像|T>像素的颜色信息，表示空图像|T>颜色信息的具体序列；|YX>
T
表示空图像|T>像素的坐标位置；|k
YX
>、分别代表空秘密图像|K>和像素的颜色信息；|YX>
K
、分别表示空秘密图像|K>和像素的坐标位置；；步骤2、水印生成与嵌入，具体过程如下：步骤2.1、基于恢复位生成量子电路进行恢复位的生成，并更新临时空图像|T>和密钥图像|K >；步骤2.2、基于图像置乱量子电路对图像|T>进行置乱；将图像|T>分为4个尺寸相同的区域，交换对角线上的两个区域的像素值，当某个图像块被篡改时，它的恢复位从对角线区域的对应图像块中提取；步骤2.3、基于恢复位嵌入量子电路进行恢复位的嵌入；
步骤2.4、基于认证位生成和嵌入量子电路进行认证位的生成与嵌入；步骤3、基于篡改检测与自恢复量子电路进行图像篡改检测，包括第一层篡改检测和第二层篡改检测，根据篡改检测的结果，进行图像自恢复；步骤4、图像自恢复，具体过程如下：步骤4.1、基于提取恢复位量子电路，从嵌入水印的图像中提取恢复位并存入到空图像|T>中；步骤4.2、使用图像置乱量子电路逆置乱图像|T>；步骤4.3、根据步骤3中篡改检测的结果，使用RY模块恢复被检测为篡改的图像块或使用RN模块恢复被检测为未被篡改的图像块。2.根据权利要求1所述用于篡改检测和自恢复的量子图像水印方法，其特征在于，所述步骤2.1中，恢复位生成量子电路包括两个8量子比特RPA模块和一个由2n
‑
2位量子位控制的9比特量子位RPA模块、一个9量子比特D4模块、两个2n
‑
2量子比特QE模块、六个由2位量子比特控制的CNOT门、三个CNOT门和三个由1位量子比特控制的QE模块；RPA模块包含一个RHA模块和n
‑
1个RFA模块；RHA模块包括5个CNOT门，RFA模块包括9个CNOT模块；D4模块包括2n+1个swap门；QE模块包括2n个CNOT门和一个由n位量子比特控制的CNOT门；生成恢复位的具体过程如下：步骤2.1.1、采用量子图像分块方法将量子载体图像|C>分为尺寸为2
×
2的不重叠图像块，图像块内的四个像素分别为|f(X,Y)>，|f(X+1,Y)>，|f(X,Y+1)>和|f(X+1,Y+1)>，计算图像块内4个像素的平均值并取前6位作为图像块的恢复位；在恢复位生成量子电路中，利用三个RPA模块得到块内像素值的和，将和通过D4模块，得到块内像素的平均值|s>=| s7s6⋯
s0>，并取|s7>,|s6>,
⋯
,|s2>作为恢复位；步骤2.1.2、将量子载体图像|C >的位置信息|Y
n
‑1Y
n
‑2⋯
Y1>
C |X
n
‑1X
n
‑2⋯
X1>
C
与空图像|T>的位置信息|Y
n
‑1Y
n
‑2⋯
Y
1 >
T |X
n
‑1X
n
‑2⋯
X
1 >
T
通过QE模块；当QE模块输出|1>时，载体图像块与空图像|T>的图像块具有相同的位置；此时，通过CNOT门将载体图像块的6位恢复位|s7>,|s6>,
⋯
,|s2>临时存储在图像|T>的图像块内，图像块内的四个像素分别为|t(X,Y)>，|t(X+1,Y)>，|t(X,Y+1)>和|t(X+1,Y+1)>；存储规则为：
‘
|s2>,|s3>
’‑
|t(X,Y)>;
‘
|s4>,|s5>
’‑
|t(X+1,Y)>;
‘
|s6>,|s7>
’‑
|t(X+1,Y+1)>；步骤2.1.3、使用QE模块比较位置|Y
n
‑1Y
n
‑2⋯
Y1>
C
|X
n
‑1X
n
‑2⋯
X1>
C
与|Y
n
‑1Y
n
‑2⋯
Y1>
K |X
n
‑1X
n
‑2⋯
X1>
K
；当QE输出|1>时，载体图像块与密钥图像块位置对应；此时利用三个QE模块分别比较恢复位|s2>和|s3>，|s4>和|s5>与|s6>和|s7>是否相等；若QE模块输出|0>，则对应的两位恢复位不相等，此时通过CNOT门在密钥图像|K>的对应像素|k(X,Y)>，|k(X+1,Y)>或|k(X,Y+1)>中存入|1>。3.根据权利要求2所述用于篡改检测和自恢复的量子图像水印方法，其特征在于，所述步骤2.2中，图像置乱量子电路包含两个NOT门；图像置乱的具体过程如下：利用两个NOT门分别作用在|T>的|X
n
‑1>
T
和|Y
n
‑1>
T
上，对图像|T>实现置乱；得到的置乱的临时图像表示如下：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（6）其中，；表示临时图像像素的坐标位置。4.根据权利要求3所述用于篡改检测和自恢复的量子图像水印方法，其特征在于，所述步骤2.3中，恢复位嵌入量子电路包含一个2n
‑
2量子比特QE模块，三个由1位量子比特控制的swap门；嵌入恢复位的具体过程如下：将载体图像|C>的位置信息|Y
n
‑1Y
n
‑2⋯
Y1>
C
|X
n
‑1X
n
‑2⋯
X1>
C
与置乱的临时恢复位图像的位置信息通过QE模块；当QE模块输出|1>时，载体图像块与临时恢复位图像块位置对应；此时，利用swap门将载体图像|C>中像素的3位LSB|f(X,Y)0>、|f(X+1,Y)0>和|f(X,Y+1)0>与图像|T>中像素对应的3位LSB、和交换，完成恢复位的嵌入。5.根据权利要求4所述用于篡改检测和自恢复的量子图像水印方法，其特征在于，所述步骤2.4中，认证位生成和嵌入量子电路包括三个NOT门、两个由2n
‑
2位量子比特控制的RPA模块、一个2n
‑
2量子比特QE模块、四个由1位量子比特控制的QE模块、15个CNOT模块、四个swap门和一个由1位量子比特控制的swap 门；认证位生成和嵌入的具体过程如下：步骤2.4.1、选择载体图像块中的三个像素|f(X,Y)>、|f(X+1,Y)>和|f(X,Y+1)>，将像素|f(X,Y)>的第七位|f(X,Y)7>，像素|f(X+1,Y)>的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨红梅，王梦溪，姜东焕，颜斌，潘正祥，王彤，刘涛，姚金良，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：