CN113852463A - 一种量子图像加密方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种量子图像加密方法及系统，涉及量子图像加密领域。一种量子图像加密方法包括：获取量子图像特征数据并建立图像和像素之间的关联，并根据随机密钥与图像和像素之间的关联生成hash值，将hash值作为加密密钥；将加密密钥进行传递，并通过混沌Logistic加密算法映射图像及像素数据特征生成加密混沌序列；将加密混沌序列与量子图像特征数据转换成加密量子混沌序列与原始量子图像特征数据；将加密量子混沌序列与原始量子图像特征数据写成矩阵形式，通过基底变换关系实现对量子图像所有灰度信息的位异或操作获得加密量子图像。其能够保障加密的安全性。此外本发明还提出了一种量子图像加密系统。

Description

一种量子图像加密方法及系统

技术领域

本发明涉及量子图像加密领域，具体而言，涉及一种量子图像加密方法及系统。

背景技术

随着图像处理技术的飞速发展，图像已经成为信息表达和传递的主要方式之一，被广泛地应用到政治、经济、军事、教育等各领域，人们可以通过网络便捷地传输各种图像信息。

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。

然而，由于数字信息极易被复制、篡改、非法传播和蓄意攻击，人们在享受信息传递的快捷便利的同时，也对信息传输的安全性和保密性提出了更高的要求。为了更好地保护图像的安全，研究者们提出了大量针对数字图像的加密方法，包括基于混沌理论的图像加密技术，基于置乱的图像加密技术，基于数学公式的图像加密技术，基于现代密码学的图像加密技术以及基于DNA编码的图像加密技术等。目前，面向传统的数字图像的加密技术比较成熟，而针对量子图像的加密技术尚属于起步阶段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种量子图像加密方法，其能够扩大密钥空间，足以抵制强力攻击，增强系统的安全性，使得量子图像加密超越经典图像加密的限制，具有量子保密通信安全性，进一步保障了加密的安全性。

本发明的另一目的在于提供一种量子图像加密系统，其能够运行一种量子图像加密方法。

本发明的实施例是这样实现的：

第一方面，本申请实施例提供一种量子图像加密方法，其包括获取量子图像特征数据并建立图像和像素之间的关联，并根据随机密钥与图像和像素之间的关联生成hash值，将hash值作为加密密钥；将加密密钥进行传递，并通过混沌Logistic加密算法映射图像及像素数据特征生成加密混沌序列；将加密混沌序列与量子图像特征数据转换成加密量子混沌序列与原始量子图像特征数据；将加密量子混沌序列与原始量子图像特征数据写成矩阵形式，通过基底变换关系实现对量子图像所有灰度信息的位异或操作获得加密量子图像。

在本发明的一些实施例中，上述获取量子图像特征数据并建立图像和像素之间的关联，并根据随机密钥与图像和像素之间的关联生成hash值，将hash值作为加密密钥包括：将图像分解为图像和像素的叠加，通过数字图像处理对图像和像素进行关联操作，再由量子态叠加性对所有的图像和像素进行多次叠加。

在本发明的一些实施例中，上述将加密密钥进行传递，并通过混沌Logistic加密算法映射图像及像素数据特征生成混沌序列包括：Logistic映射的动态行为与控制参数u密切相关，对于不同的u值系统将呈现不同的特性，其中，Logistic映射包含初值x0及系统参数μ。

在本发明的一些实施例中，上述还包括：当0<μ<＝3.5699456时，Logistic呈现周期性，当映射方程满足0<x0<1和3.5699456<μ<＝4这两个条件时，Logistic映射处于混沌状态。

在本发明的一些实施例中，上述将加密混沌序列与量子图像特征数据转换成加密量子混沌序列与原始量子图像特征数据包括：对量子图像特征数据进行加密然后进行量子位异或，由加密量子混沌序列与原始量子图像特征数据进行本末置换，得到置乱量子图像。

在本发明的一些实施例中，上述还包括：利用加密量子混沌序列进行DNA编码生成DNA序列，然后对DNA序列进行二进制转换，与置乱量子图像进行DNA动态编码运算，得到原始量子图像特征数据。

在本发明的一些实施例中，上述将加密量子混沌序列与原始量子图像特征数据写成矩阵形式，通过基底变换关系实现对量子图像所有灰度信息的位异或操作获得加密量子图像包括：DNA动态编码运算与经过置乱后的量子图像进行控制非门操作，得到加密量子图像。

第二方面，本申请实施例提供一种量子图像加密系统，其包括关联模块，用于获取量子图像特征数据并建立图像和像素之间的关联，并根据随机密钥与图像和像素之间的关联生成hash值，将hash值作为加密密钥；

映射模块，用于将加密密钥进行传递，并通过混沌Logistic加密算法映射图像及像素数据特征生成加密混沌序列；

转换模块，用于将加密混沌序列与量子图像特征数据转换成加密量子混沌序列与原始量子图像特征数据；

生成模块，用于将加密量子混沌序列与原始量子图像特征数据写成矩阵形式，通过基底变换关系实现对量子图像所有灰度信息的位异或操作获得加密量子图像。

在本发明的一些实施例中，上述包括：用于存储计算机指令的至少一个存储器；与上述存储器通讯的至少一个处理器，其中当上述至少一个处理器执行上述计算机指令时，上述至少一个处理器使上述系统执行：关联模块、映射模块、转换模块及生成模块。

第三方面，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如一种量子图像加密方法中任一项的方法。

相对于现有技术，本发明的实施例至少具有如下优点或有益效果：

基于图像关联分解的量子图像加密算法实现了量子力学理论与图像加密技术的结合，具有经典信息论安全性和量子信息论安全性，可增强系统的抗攻击性和安全性。加密方案中图像是存储在量子态中，通信信道以量子态的形式传送图像，由量子不可克隆定理及测不准原理知，量子力学中对任意一个未知的量子态进行完全相同的复制的过程是不可实现的；对一个未知量子态进行测量,将使得它不可逆转地坍缩到一个新的量子态。如果攻击者想要获得关于量子态的信息，则必须对量子态进行测量，这将使量子态随机坍缩成一个本征态；因此，量子图像加密超越经典图像加密的限制，具有量子保密通信安全性，实现扩散操作，脱离了经典计算机的范畴，提高了加密算法的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的一种量子图像加密方法步骤示意图；

图2为本发明实施例提供的一种量子图像加密方法详细步骤示意图；

图3为本发明实施例提供的一种量子图像加密系统模块示意图；

图4为本发明实施例提供的一种电子设备。

图标：10-关联模块；20-映射模块；30-转换模块；40-生成模块；101-存储器；102-处理器；103-通信接口。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

需要说明的是，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的各个实施例及实施例中的各个特征可以相互组合。

实施例1

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种量子图像加密方法步骤示意图，其如下所示：

步骤S100，获取量子图像特征数据并建立图像和像素之间的关联，并根据随机密钥与图像和像素之间的关联生成hash值，将hash值作为加密密钥；

在一些实施方式中，首先，通过随机密钥发生器生成64位十六进制随机密钥Key1，然后计算原始图像的行值和列值，利用行值和列值生成MD5随机密钥，利用MD5随机密钥以及Key1得到256位hash值即KeyHex。最后，将256位hash值存储为十六进制格式，将其转换成十进制加密密钥KeyDec，通过位异或方式得到密钥准确信息Keyfet。

步骤S110，将加密密钥进行传递，并通过混沌Logistic加密算法映射图像及像素数据特征生成加密混沌序列；

在一些实施方式中，Logistic映射的动态行为与控制参数u密切相关，对于不同的u值系统将呈现不同的特性(即当k趋于无穷大，xk的变化情况)。其中Logistic映射有两个主要的参数，一个是初值x0，一个是系统参数μ，研究表明，当0<μ<＝3.5699456时，Logistic呈现出周期性；而当映射方程满足0<x0<1和3.5699456<μ<＝4这两个条件时，Logistic映射处于混沌状态，即一种无序的、不可预测的、混乱的、摸不到头、摸不到尾的状态。对给定的初始值x0，生成的序列是非周期性、非收敛以及对初始条件敏感的。

步骤S120，将加密混沌序列与量子图像特征数据转换成加密量子混沌序列与原始量子图像特征数据；

在一些实施方式中，利用改进的混沌游戏表示法，给定(x0,y0)的值，将二维坐标序列EDNAT1和EDNAT2转换为一组混沌游戏坐标序列CG＝{(xt,yt)}t＝{1,......,22n}。根据(xt,yt)计算出坐标点到原点的距离，将坐标序列CG转换为修正序列MOTDNA＝{mDNAq},mDNAq∈[0,1],q＝{1,......,22n}。

步骤S130，将加密量子混沌序列与原始量子图像特征数据写成矩阵形式，通过基底变换关系实现对量子图像所有灰度信息的位异或操作获得加密量子图像。

在一些实施方式中，加密方法的密钥为：key＝{subkeyimage,ID1,location1,length1,ID2,locaion2,length2,(x0,y0),μ,subz}，其中subkeyimage为原量子图像得到的加密参数，ID1、location1和length1分别为第一条天然DNA序列的基因ID、起始位置以及长度，ID2、location2和length2分别为第二条天然DNA序列的基因ID，起始位置以及长度，(x0,y0)为改进的混沌游戏表示的起始位置，μ为Logistic混沌映射的系统参数，subz与加密参数subkeyimage共同构成Logistic混沌映射的初值。

实施例2

请参阅图2，图2为本发明实施例提供的一种量子图像加密方法详细步骤示意图，其如下所示：

步骤S200，将图像分解为图像和像素的叠加，通过数字图像处理对图像和像素进行关联操作，再由量子态叠加性对所有的图像和像素进行多次叠加。

步骤S210，Logistic映射的动态行为与控制参数u密切相关，对于不同的u值系统将呈现不同的特性，其中，Logistic映射包含初值x0及系统参数μ。

步骤S220，当0<μ<＝3.5699456时，Logistic呈现周期性，当映射方程满足0<x0<1和3.5699456<μ<＝4这两个条件时，Logistic映射处于混沌状态。

步骤S230，对量子图像特征数据进行加密然后进行量子位异或，由加密量子混沌序列与原始量子图像特征数据进行本末置换，得到置乱量子图像。

步骤S240，利用加密量子混沌序列进行DNA编码生成DNA序列，然后对DNA序列进行二进制转换，与置乱量子图像进行DNA动态编码运算，得到原始量子图像特征数据。

步骤S250，DNA动态编码运算与经过置乱后的量子图像进行控制非门操作，得到加密量子图像。

在一些实施方式中，量子傅里叶变换是一种量子门，可用于Shor算法，既然是一种量子门，那么它必有一种矩阵表示，其n个量子比特的矩阵表示，线性空间，量子态就是线性空间的基矢，表象变换就是用不同的基矢来描述。

实施例3

请参阅图3，图3为本发明实施例提供的一种量子图像加密系统模块示意图，其如下所示：

关联模块10，用于获取量子图像特征数据并建立图像和像素之间的关联，并根据随机密钥与图像和像素之间的关联生成hash值，将hash值作为加密密钥；

映射模块20，用于将加密密钥进行传递，并通过混沌Logistic加密算法映射图像及像素数据特征生成加密混沌序列；

转换模块30，用于将加密混沌序列与量子图像特征数据转换成加密量子混沌序列与原始量子图像特征数据；

生成模块40，用于将加密量子混沌序列与原始量子图像特征数据写成矩阵形式，通过基底变换关系实现对量子图像所有灰度信息的位异或操作获得加密量子图像。

如图4所示，本申请实施例提供一种电子设备，其包括存储器101，用于存储一个或多个程序；处理器102。当一个或多个程序被处理器102执行时，实现如上述第一方面中任一项的方法。

还包括通信接口103，该存储器101、处理器102和通信接口103相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。存储器101可用于存储软件程序及模块，处理器102通过执行存储在存储器101内的软件程序及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理。该通信接口103可用于与其他节点设备进行信令或数据的通信。

其中，存储器101可以是但不限于，随机存取存储器101(Random Access Memory，RAM)，只读存储器101(Read Only Memory，ROM)，可编程只读存储器101(ProgrammableRead-Only Memory，PROM)，可擦除只读存储器101(Erasable Programmable Read-OnlyMemory，EPROM)，电可擦除只读存储器101(Electric Erasable Programmable Read-OnlyMemory，EEPROM)等。

处理器102可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力。该处理器102可以是通用处理器102，包括中央处理器102(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器102(Network Processor，NP)等；还可以是数字信号处理器102(DigitalSignal Processing，DSP)、专用集成电路(Appl ication SpecificIntegrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field－ProgrammableGate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的方法及系统和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的方法及系统实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本申请的多个实施例的方法及系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

另一方面，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器102执行时实现如上述第一方面中任一项的方法。所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器101(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器101(RAM，RandomAccess Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

综上所述，本申请实施例提供的一种量子图像加密方法及系统，基于图像关联分解的量子图像加密算法实现了量子力学理论与图像加密技术的结合，具有经典信息论安全性和量子信息论安全性，可增强系统的抗攻击性和安全性。加密方案中图像是存储在量子态中，通信信道以量子态的形式传送图像，由量子不可克隆定理及测不准原理知，量子力学中对任意一个未知的量子态进行完全相同的复制的过程是不可实现的；对一个未知量子态进行测量,将使得它不可逆转地坍缩到一个新的量子态。如果攻击者想要获得关于量子态的信息，则必须对量子态进行测量，这将使量子态随机坍缩成一个本征态；因此，量子图像加密超越经典图像加密的限制，具有量子保密通信安全性，实现扩散操作，脱离了经典计算机的范畴，提高了加密算法的安全性。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种量子图像加密方法，其特征在于，包括：

获取量子图像特征数据并建立图像和像素之间的关联，并根据随机密钥与图像和像素之间的关联生成hash值，将hash值作为加密密钥；

将加密密钥进行传递，并通过混沌Logistic加密算法映射图像及像素数据特征生成加密混沌序列；

将加密混沌序列与量子图像特征数据转换成加密量子混沌序列与原始量子图像特征数据；

将加密量子混沌序列与原始量子图像特征数据写成矩阵形式，通过基底变换关系实现对量子图像所有灰度信息的位异或操作获得加密量子图像。

2.如权利要求1所述的一种量子图像加密方法，其特征在于，所述获取量子图像特征数据并建立图像和像素之间的关联，并根据随机密钥与图像和像素之间的关联生成hash值，将hash值作为加密密钥包括：

将图像分解为图像和像素的叠加，通过数字图像处理对图像和像素进行关联操作，再由量子态叠加性对所有的图像和像素进行多次叠加。

3.如权利要求1所述的一种量子图像加密方法，其特征在于，所述将加密密钥进行传递，并通过混沌Logistic加密算法映射图像及像素数据特征生成混沌序列包括：

Logistic映射的动态行为与控制参数u密切相关，对于不同的u值系统将呈现不同的特性，其中，Logistic映射包含初值x0及系统参数μ。

4.如权利要求3所述的一种量子图像加密方法，其特征在于，还包括：

当0<μ<＝3.5699456时，Logistic呈现周期性，当映射方程满足0<x0<1和3.5699456<μ<＝4这两个条件时，Logistic映射处于混沌状态。

5.如权利要求1所述的一种量子图像加密方法，其特征在于，所述将加密混沌序列与量子图像特征数据转换成加密量子混沌序列与原始量子图像特征数据包括：

对量子图像特征数据进行加密然后进行量子位异或，由加密量子混沌序列与原始量子图像特征数据进行本末置换，得到置乱量子图像。

6.如权利要求5所述的一种量子图像加密方法，其特征在于，还包括：

利用加密量子混沌序列进行DNA编码生成DNA序列，然后对DNA序列进行二进制转换，与置乱量子图像进行DNA动态编码运算，得到原始量子图像特征数据。

7.如权利要求1所述的一种量子图像加密方法，其特征在于，所述将加密量子混沌序列与原始量子图像特征数据写成矩阵形式，通过基底变换关系实现对量子图像所有灰度信息的位异或操作获得加密量子图像包括：

DNA动态编码运算与经过置乱后的量子图像进行控制非门操作，得到加密量子图像。

8.一种量子图像加密系统，其特征在于，包括：

关联模块，用于获取量子图像特征数据并建立图像和像素之间的关联，并根据随机密钥与图像和像素之间的关联生成hash值，将hash值作为加密密钥；

映射模块，用于将加密密钥进行传递，并通过混沌Logistic加密算法映射图像及像素数据特征生成加密混沌序列；

转换模块，用于将加密混沌序列与量子图像特征数据转换成加密量子混沌序列与原始量子图像特征数据；

生成模块，用于将加密量子混沌序列与原始量子图像特征数据写成矩阵形式，通过基底变换关系实现对量子图像所有灰度信息的位异或操作获得加密量子图像。

9.如权利要求8所述的一种量子图像加密系统，其特征在于，包括：

用于存储计算机指令的至少一个存储器；

与所述存储器通讯的至少一个处理器，其中当所述至少一个处理器执行所述计算机指令时，所述至少一个处理器使所述系统执行：关联模块、映射模块、转换模块及生成模块。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的方法。

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