[发明专利]基于比特置乱的量子混沌图像加密方法

摘要

本发明公开了一种基于比特置乱的量子混沌图像加密方法，所述加密方法包括：利用Logistic量子混沌系统生成混沌序列，对原始图像p的R、G、B三基色分量像素值进行比特位置乱，得到中间置乱图像I，再对中间置乱图像I进行加密操作，得到最终加密图像q。本发明加密方法大大增加了密钥空间，使得安全性、加密效果和密钥敏感性更高，抗攻击能力更强，大大提高了破译难度。

主权项

1.一种基于比特置乱的量子混沌图像加密方法，包括以下步骤：(1)输入RGB格式的图像大小为m×n的原始图像p；(2)利用量子混沌系统生成混沌序列，对所述原始图像p的像素进行比特位置乱操作，得到中间置乱图像I，所述量子混沌系统为Logistic量子混沌系统，其动力学方程为式中，r为可调参数，β是耗散参数，x_n、y_n、z_n是系统的状态值，分别是x_n和z_n的复共轭，系统参数取值r∈(3.74,4.00)，β≥3.5，状态值x_n∈(0,1)，y_n∈(0,0.2461)，z_n∈(0,0.2461)时，系统呈现混沌特性；所述步骤(2)的具体操作步骤为：2.1)设定量子混沌系统的初始值x₀,y₀,z₀,r₀,β₀作为密钥输入，将量子混沌系统迭代K次后的值舍弃，继续将量子混沌系统进行m×n次迭代，取出X、Y、Z的值分别得到长度为m×n的混沌序列X＝{X₁,X₂,X₃,…,X_m×n}、Y＝{Y₁,Y₂,Y₃,…,Y_m×n}和Z＝{Z₁,Z₂,Z₃,…,Z_m×n}；所述K的取值范围为100≤K≤300；X、Y、Z为混沌序列；2.2)在步骤2.1)的混沌序列中分别取出X、Y、Z中的第i个实数值X_i、Y_i、Z_i，取X_i数值的前8位非零数字生成数组序列W＝{W₁,W₂,W₃,…,W₈}，取Y_i数值的前8位非零数字生成数组序列L＝{L₁,L₂,L₃,…,L₈}，取Z_i数值的前8位非零数字生成数组序列Q＝{Q₁,Q₂,Q₃,…,Q₈}，其中i取值从1开始，下同；2.3)将步骤2.2)所得的数组序列W、L、Q分别按升序排成由小到大的有序序列W′、L′、Q′，如果数列中有相同的元素，则规定在有序数列中先放下标较小的那个元素，对于W′在W数组中的位置使用一个新数组序列W_t＝{W_t1,W_t2,W_t3,…,W_t8}来表示，对于L′在L数组中的位置使用一个新数组序列L_t＝{L_t1,L_t2,L_t3,…,L_t8}来表示，对于Q′在Q数组中的位置使用一个新数组序列Q_t＝{Q_t1,Q_t2,Q_t3,…,Q_t8}来表示；2.4)分离原始图像p中第i个像素点的R、G、B三基色分量，将R、G、B三基色分量像素值从十进制转化为二进制，并用数组R_bit＝{R_bit1,R_bit2,R_bit3,…,R_bit8}、G_bit＝{G_bit1,G_bit2,G_bit3,…,G_bit8}和B_bit＝{B_bit1,B_bit2,B_bit3,…,B_bit8}分别对该像素点的R、G、B像素值比特位进行描述，然后使用步骤2.3)得到的W_t、L_t和Q_t序列，分别对数组R_bit、G_bit和B_bit进行置乱，置乱后，得到该像素点的新的R、G、B像素值比特位排列R′_bit＝{R′_bit1,R′_bit2,R′_bit3,…,R′_bit3}、G′_bit＝{G′_bit1,G′_bit2,G′_bit3,…,G′_bit3}和B′_bit＝{B′_bit1,B′_bit2,B′_bit3,…,B′_bit3}；2.5)令i＝i+1，对图片进行遍历，依次对原始图像p中的每个像素点进行步骤2.2)到2.4)的操作，直到i＝m×n，完成对图片中所有像素点的RGB像素值比特位的全局置乱；2.6)将步骤2.5)全局置乱后的R、G、B比特位像素值从二进制转换成十进制，即得到中间置乱图像I，转换后的十进制数值即为中间置乱图像I的单个像素点的值，称为中间密文C′_i；(3)对中间置乱图像I进行加密操作，得到最终加密图像q，该加密操作的具体步骤为：3.1)对中间置乱图像I中第i个像素点的值即中间密文C_i′进行D_i＝mod(C′_i×2⁴⁸,255)和C_i＝mod(D_i+C′_i,255)的加密运算，求得该像素点的最终密文C_i；3.2)令i＝i+1，对图片进行遍历，依次对中间置乱图像I中的每个像素点进行步骤3.1)的加密运算，直到i＝m×n，加密结束，得到最终加密图像q。