[发明专利]基于二维交叉映射和动态扩散的量子图像加密方法

说明书

基于二维交叉映射和动态扩散的量子图像加密方法，涉及量子图像加密技术领域，为解决现有图像加密方法中存在的密钥空间小，图像处理算法的复杂度比较高，计算比较耗时的问题，本发明提出的基于二维交叉混沌映射和动态扩散的量子图像加密解密方法，由二维交叉混沌系统2D‑LAS生成明文相关的混沌序列，先使用NEQR模型将经典图像转换为量子图像，对量子图像使用动态扩散对像素值进行位级操作，其中包括位级移位操作、位级交叉异或移位操作和位级循环移位操作，置乱过程首先对图像进行行，列之间循环移位，置乱结束后对图像进行迭代异或，对像素进行扩散操作，提升了扩散效率。

技术领域

本发明涉及量子图像加密技术领域，具体涉及一种基于二维交叉映射和动态扩散的量子图像加密方法。

背景技术

近年来，我国的信息安全问题严峻，不仅面临着全球信息安全泄漏相同的安全威胁，还因为不同基础和发展阶段带来的个性问题和挑战。在一些特殊的领域，从明星私人照片曝光，到医疗信息的泄漏，到卫星图像、遥感信息泄漏。数字图像加密是信息安全领域研究热点和难点。然而，由于数字图像具有数据冗余度高、相邻像素相关性强、数据量大等特点，它们在传输过程中容易受到各种类型的攻击。而传统的加密算法(如DES和AES)并不十分适合图像加密。图像加密通常分为置乱和扩散两个阶段：置乱阶段是改变像素之间的位置，扩散阶段是改变像素值的大小，以便隐藏明文的统计结构的目的。设计多个置乱—扩散反复，以保证达到相应的安全水平。

随着计算机科学的日益发展，量子计算取得突破性进展，由于量子态的相叠加特性，存储相同数据量的图像，量子图像所需要的量子比特数将比数字图像需要的数字比特少得多。比经典数字图像的相关算法具有更低的计算复杂度，结合量子计算机并行计算特性，将量子计算与经典图像加密算法相结合，是一种安全有效的密码系统设计方法。

发明内容

本发明为解决现有图像加密方法中存在的密钥空间小，图像处理算法的复杂度比较高，计算比较耗时的问题，而量子加密技术可以实现理论上的安全，量子图像的加密将经典加密方法和量子信息理论相结合，具有大容量、高效率、并行性、难破解等许多优势。提供一种基于二维交叉混沌映射和动态扩散的量子图像加密方法。

基于二维交叉映射和动态扩散的量子图像加密方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、将大小为M×N的灰度图像作为原始图像Image；

步骤二、将原始图像Image使用NEQR量子表示模型，将原始图像Image表示为量子图像|I；

步骤三、使用SHA-256计算原始图像Image的哈希值，采用数组H表示，根据数组H获得二维交叉混沌系统的初值x₀,y₀；

步骤四、采用初值x₀,y₀迭代所述2D-LAS混沌系统M×N次，获得两个长度分别为M×N的混沌序列XS,YS；

步骤五、将步骤四中伪随机序列XS，YS映射到0到2^k-1之间，获得序列X1和序列Y1；k＝log₂ M-1；

步骤六、在步骤五获得的序列X1和序列Y1中选取部分序列作为循环行移位控制序列CRS1，CRS2和循环列移位控制序列CCS1，CCS2；

步骤七、将步骤四获得的混沌序列YS的值映射到1到3之间，获得选择控制序列SC；

将步骤四获得的混沌序列YS的值映射到1到4之间，获得循环移位控制序列CS；

步骤八、将步骤七获得的选择控制序列SC和循环移位控制序列CS分别转化为M×N的二维数组CSC和二维数组SCS；

步骤九、对步骤二获得的量子图像|I进行动态选择扩散,获得扩散后的量子图像||I₁，具体过程如下：