基于環(huán)上兩粒子一維離散量子游走的圖像加密方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及基于環(huán)上兩粒子一維離散量子游走的圖像加密方法，旨在保證圖像加密算法的安全性和高效性，實現(xiàn)對圖像的有效保護。本發(fā)明所述方法包括：（1）利用環(huán)上兩粒子一維離散量子游走生成密鑰矩陣：運行環(huán)上兩粒子一維離散量子游走生成一概率分布，將生成的概率分布轉(zhuǎn)換成密鑰序列S，將序列S轉(zhuǎn)換成為矩陣P；（2）對圖像進行加密：使矩陣P與原始圖像I邏輯異或生成混合圖像E，分別隨機從序列S中選擇M個值和N個值，分別獲得兩個序列X和Y，升序排列其次序，分別獲得兩個新的序列。利用兩個新序列IX和IY重排加密圖像E來獲得最終的加密圖像E'。與已有圖像加密方法相比，本發(fā)明操作更簡單、速度更快、性能和加密質(zhì)量更好，更能滿足實際需要。
【專利說明】基于環(huán)上兩粒子一維離散量子游走的圖像加密方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于信息安全領(lǐng)域，涉及圖像加密技術(shù)，具體涉及一種基于環(huán)上兩粒子一維離散量子游走的圖像加密方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著信息技術(shù)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為信息傳播的主要工具，不僅僅是傳輸一般的文本信息，互聯(lián)網(wǎng)和通信還能夠傳輸大量的圖像數(shù)據(jù)。圖像的直觀性被人們所喜愛，對于一些特殊的圖像，為了防止個人隱私遭到威脅，人們常常需要在傳輸之前對其進行加密，以防止被非法用戶讀取。目前在傳輸圖像數(shù)據(jù)方面的最大的挑戰(zhàn)是在安全性和高效性方面存在不足，所以相當多的人正在努力致力于圖像加密的研究。
[0003]近年來，隨著量子信息和量子計算的快速發(fā)展，人們的更加關(guān)注如何在量子計算機上實現(xiàn)圖像的版權(quán)保護。人們提出了各種圖像加密技術(shù)。1989年，Matthews首次提出了一種基于混沌的加密方法。從那以后，各種基于混沌的圖像加密方法被提出。1998年，F(xiàn)ridrich使用二維混沌映射發(fā)明了一種在二維圖像空間域的替代擴散架構(gòu)。這個架構(gòu)是許多圖像加密方法的基礎(chǔ)。Patidar等人提出了一種基于這樣一種替代擴散結(jié)構(gòu)使用混亂的標準和邏輯映射的彩色圖像加密方法。不幸的是，Patidar等人的改善對已知選擇明文攻擊和其他原始的和改進版本的仍然存在安全漏洞。
[0004]另一個重要系統(tǒng)，光學系統(tǒng)已經(jīng)廣泛用于圖像加密，這是由于它處理二維復(fù)雜數(shù)據(jù)的并行性和高速度的屬性?；诠鈱W的圖像加密從雙隨機相位編碼方法開始。Gopinathan等人通過使用階段檢索方法進行已知明文攻擊的雙隨機相位編碼方法。雖然光學系統(tǒng)可以用于圖像加密，但是大多數(shù)光學加密系統(tǒng)遠遠不能令人滿意。
[0005]大多數(shù)傳統(tǒng)的加密方法，比如改進的加密標準方法，最初用于文本數(shù)據(jù)加密，由于批量數(shù)據(jù)，高損耗限度和高像素之間的相關(guān)性等獨特的特點，太復(fù)雜而無法用于圖像加密。為了降低高像素之間的相關(guān)性，阿諾德貓圖映射通常用于擴散像素位置。不幸的是，阿諾德貓映射有兩個缺陷:迭代次數(shù)有限，通常小于1000次，對于普通圖像的寬度和高度的等式約束。除此之外，基于密鑰共享、掃描模式或其他技術(shù)也提出了其他的圖像加密方法。然而，它們也或多或少地具有安全性和高效性能的缺陷。
[0006]量子計算是一個快速發(fā)展的領(lǐng)域，在過去的幾十年中取得了很多突破。作為一種通用的量子計算模型，量子游走是經(jīng)典隨機游走的量子對應(yīng)，并已經(jīng)發(fā)展成可以解決各種問題(包括元素獨特性，三角形發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)聚類等)的一個有用的工具。然而量子游走擁有非線性動態(tài)行為和硬幣的無限的可能性也將使量子游走是不穩(wěn)定和不可預(yù)測的，所有這些特性確保量子游走可以用作圖像加密系統(tǒng)的密鑰生成器，其生成的加密密鑰具有無限可能性，這確保基于量子游走的圖像加密方法的密鑰空間是無限大的，從而可以抵抗強力攻擊。因此，研究基于量子游走的圖像加密技術(shù)勢在必行。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明提供一種基于環(huán)上兩粒子一維離散量子游走的圖像加密方法，旨在保證圖像加密方法的安全性和高效性，實現(xiàn)對圖像的有效保護。
[0008]一種基于環(huán)上兩粒子一維離散量子游走的圖像加密方法，其特征在于包括以下步驟:
[0009]步驟一，利用環(huán)上兩粒子一維離散量子游走生成密鑰矩陣，方法如下:
[0010](I)運行環(huán)上兩粒子一維離散量子游走生成一概率分布；
[0011](2)將生成的概率分布轉(zhuǎn)換成密鑰序列S ；
[0012](3)將序列S轉(zhuǎn)換成為矩陣P。
[0013]步驟二，對圖像進行加密，方法如下:
[0014]( I)使矩陣P與原始圖像I像素級異或生成混亂圖像E ；
[0015](2 )分別從序列S中隨機選擇M個值和N個值，分別表示為序列X = (X1, X2；..., XM}和Y = (Y1, Y2,..., YJ ；
[0016](3)分別升序排列X和Y的次序，分別獲得兩個新的序列A和4 ?人 I.?
[0017](4)利用兩個新序列Ix和Iy重排加密圖像E來獲得最終的加密圖像E’。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:與現(xiàn)有的圖像加密技術(shù)相比，量子游走所擁有的非線性動力學行為和初始狀 態(tài)的無限可能性，使得生成的概率分布更為隨機，也使得基于環(huán)上兩粒子一維離散量子游走生成的密鑰加密的密文圖像的相關(guān)性更低，大大提高了圖像的加密質(zhì)量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明所涉及方法的主流程圖；
[0020]圖2為仿真實驗中所用的明文圖像；
[0021]圖3為Lena的明文圖像、密文圖像及它們的直方圖:(a) Lena圖像，(b) Lena圖像的直方圖，(c)密文圖像，(d)密文圖像的直方圖；
[0022]圖4為Lena的明文圖像及密文圖像的相關(guān)性結(jié)果:(a)和(d)，(b)和(e)，以及(C)和(f)分別是明文Lena和密文圖像的水平、垂直和對角相關(guān)性結(jié)果。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖及【具體實施方式】對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0024]一種基于環(huán)上兩粒子一維離散量子游走的圖像加密方法，流程圖如圖1所示，包括以下步驟:
[0025]步驟一，使用環(huán)上兩粒子一維離散量子游走生成密鑰矩陣，具體方法如下:
[0026](I)選擇密鑰(n，( α，β，X，δ ), r, θ )，并在具有η個節(jié)點的環(huán)上運行一維雙粒子離散量子游走，生成大小為ηΧη的概率矩陣。這里，α，β，X，δ是初始硬幣態(tài)| υ，τ>=(α 00>+β |01>+χ !10>+δ 11? 的振幅,且滿足歸一化條件 α |2+| β |2+| χ |2+| δ |2=1。r是步長，Θ是硬幣算子的一個參數(shù)。環(huán)上一維雙粒子離散量子游走包括漫步者和硬幣，初始硬幣態(tài)為 I υ，τ > = ( α 00>+β |01>+x | 10>+ δ | 11?。[0027]對于單漫步者單硬幣量子游走，整個系統(tǒng)在每一步的演化由么正算子描述:
【權(quán)利要求】
1.基于環(huán)上兩粒子一維離散量子游走的圖像加密方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟一，使用環(huán)上兩粒子一維離散量子游走生成密鑰矩陣； (1)選擇密鑰(已n，(α，β，X，δ)，r，θ)，并在具有η個節(jié)點的環(huán)上運行一維雙粒子離散量子游走，生成大小為ηΧη的概率矩陣；這里，α，β，X，δ是初始硬幣態(tài)| υ，τ > =
【文檔編號】G06T1/00GK103871016SQ201410112186
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月24日
【發(fā)明者】楊宇光, 潘慶祥, 王艷 申請人:北京工業(yè)大學