CN114157774B - 一种基于量子Baker映射和正弦混沌化模型的图像加密方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于量子Baker映射和正弦混沌化模型的图像加密方法，属于量子计算及图像信息处理技术领域。该方法包括以下步骤：S1、将待加密的图像进行量子图像表示；S2、采用量子Baker变换(Quantum Baker transform，QBT)对量子表示图像进行像素值的置乱；S3、采用正弦混沌化模型产生混沌序列；S4、将混沌序列与置乱图像按位异或得到最终的加密图像。本方法同现有技术相比，实现了量子Baker映射的像素位置置乱和正弦混沌模型的XOR操作，能够显著提高加密系统的密钥空间，保证图像的安全存储和传输，相较于传统图像加密，本方法降低了算法复杂度，提升了加密性能。

Description

一种基于量子Baker映射和正弦混沌化模型的图像加密方法
技术领域
本发明属于量子计算及图像信息处理技术领域，涉及一种基于量子Baker映射和正弦混沌化模型的图像加密方法。
背景技术
随着当前海量图像数据处理的需求不断增加，全新的基于量子并行性的图像处理技术展现出潜在的巨大优势。量子态所具备的叠加纠缠特性可以大幅提高图像处理的效率，同时量子的不可克隆性定理也保证了图像存储和传输的安全性。因此，将量子计算应用于图像安全领域可以进一步提高图像加密的安全性和有效性。
目前，多种基于混沌系统和仿射变换置乱的量子图像加密算法被提出。研究者们先后提出了基于量子Logistic映射的图像加密方案，基于Arnold变换的量子图像加密算法，基于迭代广义Arnold变换和量子循环移位操作的图像加密算法，基于高阶混沌的量子图像加密算法等。现阶段已提出的量子图像加密算法大部分使用Arnold变换进行像素位置的置乱，因其周期性较小，导致加密系统密钥空间小，置乱效果差。因此，目前急需一种能够增大密钥空间，提高量子图像加密系统的安全性能的图像加密方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于量子Baker映射和正弦混沌化模型的图像加密方法，该方法基于量子Baker映射和正弦混沌化模型的结合，量子Baker映射相较于量子Arnold变换，周期性更大，参数更多，可进一步保证算法的安全性；正弦混沌化模型生成随机序列，相较于传统的logistic映射，可以进一步增大密钥空间，保障密文图像的安全，因此本方法相比经典的图像加密，降低了计算复杂度，提高了加密的效率和安全性。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于量子Baker映射和正弦混沌化模型的图像加密方法，该方法包括以下步骤：S1、将待加密的图像进行量子图像表示；S2、采用量子Baker变换(Quantum Bakertransform，QBT)对量子表示图像进行像素值的置乱；S3、采用正弦混沌化模型产生混沌序列；S4、将混沌序列与置乱图像按位异或得到最终的加密图像。
进一步，在步骤S1中，将待加密的图像进行量子图像表示，利用NEQR模型将大小为2n×2n的待加密图像表示成对应的归一化量子态|I>；
Figure BDA0003370669840000021
其中(Y,X)表示量子图像中的像素位置，I(Y,X)表示在位置(Y,X)处的图像灰度值，且iYX∈{0,1}。
进一步，在步骤S2中，采用量子Baker变换(Quantum Baker transform，QBT)对量子表示图像|I>进行像素值的置乱，置乱后的量子图像|R>为：
Figure BDA0003370669840000022
其中R(Y,X)表示置乱图像在位置(Y,X)处的像素值。
进一步，在步骤S3中，采用正弦混沌化模型产生混沌序列，使产生的序列在[0,1]之间随机分布；采用如下的正弦混沌化模型产生与图像|R>大小相同的混沌序列，
dk+1＝sin(πμdk(1-dk))
其中dk∈(0,1)为初始值，当控制参数μ处于(0,+∞)时，产生的序列为伪随机序列s；其中，参数μ设定为2.987，d0按如下式设置：
Figure BDA0003370669840000023
其中I(Y,X)表示(Y,X)位置处的像素灰度值。
进一步，在步骤S4中，将混沌序列s与置乱图像按位异或得到最终的加密图像，首先将混沌序列s的值按下式转换成0-255之间
S＝floor(s×1015)mod256
其中floor代表向下取整操作，mod表示取模数。
最终的加密图像|C>可由伪随机序列S和置乱图像|R>做XOR操作得到：
Figure BDA0003370669840000031
其中|E(Y,X)>表示密文图像中(Y,X)处的像素值，
Figure BDA0003370669840000032
表示对应像素值的二进制数值，eYX∈{0,1}。
进一步，其中，Baker映射的置乱次数为22，分块参数设置为64，64，128。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的方法同现有技术相比，实现了量子Baker映射的像素位置置乱和正弦混沌模型的XOR操作，能够显著提高加密系统的密钥空间，保证图像的安全存储和传输。相较于传统图像加密，本方法降低了算法复杂度，提升了加密性能。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明所述方法的流程示意图；
图2为实施例效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明技术方案进行详细说明。
图1为本发明所述方法的流程示意图，如图所示，该方法包括以下步骤：S1、将待加密的图像进行量子图像表示；S2、采用量子Baker变换(Quantum Baker transform，QBT)对量子表示图像进行像素值的置乱；S3、采用正弦混沌化模型产生混沌序列；S4、将混沌序列与置乱图像按位异或得到最终的加密图像。
图2为实施例效果图，具体实施例如下：基于Baker映射和正弦混沌化模型的图像加密方法的具体实施过程如下：
1)选取如图2(a)所示的大小为256×256的图像为实验图像，图像2(b)的加密和解密过程相同。
2)利用NEQR模型将图像2(a)表示成对应的归一化量子态:
Figure BDA0003370669840000041
3)采用量子Baker变换QBT对图像|I>进行像素值位置的置乱，其中，Baker映射的置乱次数为22，分块参数设置为64，64，128。置乱后的量子图像|R>为：
Figure BDA0003370669840000042
4)采用如下的正弦混沌化模型产生与原图像大小相同的混沌序列s，
dk+1＝sin(2.987πdk(1-dk))
Figure BDA0003370669840000043
5)将混沌序列s与置乱图像按位异或得到最终的加密图像。首先将混沌序列s的值按下式转换成0-255之间
S＝floor(s×1015)mod256
6)最终的加密图像|C>可由伪随机序列S和置乱图像|R>做XOR操作得到：
Figure BDA0003370669840000044
解密方法为加密方法的逆操作，根据加密密钥可以正确解密出原始图像。
本发明同现有技术相比，实现了量子Baker映射的像素位置置乱和正弦混沌模型的XOR操作，能够显著提高加密系统的密钥空间，保证图像的安全存储和传输。相较于传统图像加密，所提方法降低了算法复杂度，提升了加密性能。本方法可以广泛应用于军事、商业、医疗图像的安全存储和传输，适用于完成图像加密任务。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于量子Baker映射和正弦混沌化模型的图像加密方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1、将待加密的图像进行量子图像表示；
S2、采用量子Baker变换对量子表示图像进行像素值的置乱；
S3、采用正弦混沌化模型产生混沌序列；
S4、将混沌序列与置乱图像按位异或得到最终的加密图像；
在步骤S3中，采用正弦混沌化模型产生混沌序列，使产生的序列在[0,1]之间随机分布；采用如下的正弦混沌化模型产生与图像|R>大小相同的混沌序列，
dk+1＝sin(πμdk(1-dk))
其中dk∈(0,1)为初始值，当控制参数μ处于(0,+∞)时，产生的序列为伪随机序列s；其中，参数μ设定为2.987，d0按如下式设置：
Figure FDA0004075756280000011
其中I(Y,X)表示(Y,X)位置处的像素灰度值。
2.根据权利要求1所述的一种基于量子Baker映射和正弦混沌化模型的图像加密方法，其特征在于：在步骤S1中，将待加密的图像进行量子图像表示，利用NEQR模型将大小为2n×2n的待加密图像表示成对应的归一化量子态|I>；
Figure FDA0004075756280000012
其中(Y,X)表示量子图像中的像素位置，I(Y,X)表示在位置(Y,X)处的图像灰度值，且iYX∈{0,1}。
3.根据权利要求2所述的一种基于量子Baker映射和正弦混沌化模型的图像加密方法，其特征在于：在步骤S2中，采用量子Baker变换(Quantum Baker transform，QBT)对量子表示图像|I>进行像素值的置乱，置乱后的量子图像|R为：
Figure FDA0004075756280000021
其中R(Y,X)表示置乱图像在位置(Y,X)处的像素值。
4.根据权利要求3所述的一种基于量子Baker映射和正弦混沌化模型的图像加密方法，其特征在于：在步骤S4中，将混沌序列s与置乱图像按位异或得到最终的加密图像，首先将混沌序列s的值按下式转换成0-255之间
S＝floor(s×1015)mod256
其中floor代表向下取整操作，mod表示取模数；
最终的加密图像|C>可由伪随机序列S和置乱图像|R>做XOR操作得到：
Figure FDA0004075756280000022
其中|E(Y,X)>表示密文图像中(Y,X)处的像素值，
Figure FDA0004075756280000023
表示对应像素值的二进制数值，eYX∈{0,1}。
5.根据权利要求4所述的一种基于量子Baker映射和正弦混沌化模型的图像加密方法，其特征在于：其中，Baker映射的置乱次数为22，分块参数设置为64，64，128。
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