基于量子散列函数的新型图像加密方法
【专利摘要】本发明涉及基于量子散列函数的新型图像加密方法。所述方法包括：利用量子随机游走生成量子散列函数；利用量子散列函数生成密钥矩阵；利用量子散列函数生成的密钥用于图像加密。本发明结合量子散列函数，提出了一种基于量子散列函数的新型图像加密方法。量子散列函数具有非线性动力学特性，并且硬币态无穷多选择的特性使得量子散列函数的输出更具有不可预测性，可生成理论上无限大的密钥空间。因此量子散列函数可以作为图像加密系统的密钥生成器，保证图像加密的安全性。量子并行计算特性使得量子散列函数的扩散速度指数级优于经典情形，因此也保证了图像加密的效率。
【专利说明】基于量子散列函数的新型图像加密方法
【技术领域】
[0001]本发明属于信息安全领域，涉及图像加密技术，尤其涉及一种基于量子散列函数的新型图像加密方法。
【背景技术】
[0002]因特网技术的发展促进了多媒体通信的发展。由于数字图像直观形象的特点使之成为一种最重要的多媒体表示模型。当前图像传输的主要挑战是安全性。这说明了为什么要致力于图像加密。近几年，各种各样的图像加密算法被提出，但大多数图像加密算法在安全和性能方面存在各种各样的安全缺陷。例如，自Matthews提出第一个基于混沛的图像加密算法后，各种各样的基于混沌的图像加密算法被提出，甚至提出了基于超混沌的图像加密算法，但是还是被发现不能抵抗已知/选择明文/密文攻击。
[0003]此外，光学系统被广泛用于图像加密，但是大多数光学加密是远远不能令人满意的。当然还有其他的一些传统的图像加密算法，比如基于MD5散列函数的图像加密算法，基于AES算法的图像加密算法，但是由于图像具有数据量大，高损耗限度和像素之间的高度相关性等特点，使得这些传统加密算法太复杂而不能很好地用于图像加密。为了混乱像素之间的高度相关性，Arnold猫映射被用于扩散像素的位置，但是具有迭代次数有限的缺陷。此外基于密钥共享、扫描模式或其它技术的图像加密算法被提出，但是在安全性和性能方面或多或少存在着缺陷。
[0004]为了解决图像加密方法的安全性和效率的问题，本发明结合量子散列函数(quantum Hash function,简记为QHF),提出了一种基于QHF的新型图像加密方法。QHF具有非线性动力学特性，并且硬币态无穷多选择的特性使得QHF的输出更具有不可预测性，可生成理论上无限大的密钥空间。因此QHF可以作为图像加密系统的密钥生成器，保证图像加密的安全性。量子并行计算特性使得QHF的扩散速度指数级优于经典情形，因此也保证了图像加密的效率。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于量子散列函数的图像加密方法，旨在提高图像加密的安全性和性能。
[0006]本发明所述方法包括三个阶段:(I)利用量子随机游走生成QHF ；(2)利用QHF生成密钥矩阵；(3)利用QHF生成的密钥用于图像加密。
[0007]—种基于量子散列函数的图像加密方法，其特征在于包括以下步骤:
[0008]步骤一，利用量子随机游走生成QHF。
[0009]步骤二，利用QHF生成密钥矩阵，方法如下:
[0010](I)运行QHF生成一概率分布；
[0011](2)将生成的概率分布转换成密钥矩阵P。
[0012]步骤三，对图像进行加密，方法如下:[0013](I)利用P与原始图像I像素级异或生成混乱图像E。
[0014](2)利用P作为置换矩阵置换图像E的像素位置获得图像E’。
[0015](3)通过使用比特级置换方式来置换图像E’的每一个像素的灰度值，得到最终加密的图像E’’。
[0016]与现有技术相比，本发明有以下优点:当前大多数图像加密算法在产生密钥流时都存在安全和性能方面的缺陷，例如密钥空间小，不能保持安全性和性能的平衡。本发明利用QHF拥有的非线性动力学行为和状态的无限可能性也会使QHF不稳定和不可预知。所有这些特点保证QHF可以作为一种良好的图像加密系统的密钥生成器。本发明所述方法的安全性依赖于密钥理论上的无限可能性，而不是算法复杂度。因此，本发明基于QHF的图像加密方法可以解决上述安全性和性能问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明所涉及的方法流程图；
[0018]图2为仿真实验中所用的明文图像；
[0019]图3为图2中明文图像对应的密文图像；
[0020]图4为图3中密文图像对应的解密图像。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图及【具体实施方式】对本发明做进一步详细说明。
[0022]一种基于量子散列函数的新型图像加密方法，流程图如图1所示，包括以下步骤:
[0023]步骤1:利用量子随机游走生成QHF。
[0024]QHF由量子随机游走变换获得。量子随机游走包括两个量子系统:漫步者和硬币。
[0025]对于单漫步者单硬币量子游走，整个系统在每一步的演化由么正算子￡/描述:
[0026]
【权利要求】
1.基于量子散列函数的新型图像加密方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤1:利用量子随机游走生成量子散列函数； 量子散列函数由量子随机游走变换获得；量子随机游走包括两个量子系统:漫步者和硬币； 对于单漫步者单硬币量子游走，整个系统在每一步的演化由么正算子&描述:
2.根据权利要求1所述的基于量子散列函数的新型图像加密方法，其特征在于，所述步骤3.2利用P作为置换矩阵置换图像E的像素位置的方法包括以下步骤: (1)任意选取P中的M个不同的数据和N个不同的数据；这M个数据都在O到M-1之间，重新排序得到IX，i = I, 2,..., Μ},其中Iii Φ hj, i关j ;这N个数据都在O到N-1之间，重新排序得到Ui, 1 = 1,2,..., N},其中Ii Φ I」，i ^ j ； (2)假设明文图像I的像素灰度值矩阵为Pu(I)，i= 1，2，...，M，j = 1，2，...，N;分别根据比和Ii，对明文图像I的行和列进行置换；对于行置换，将明文图像I的Iii行置换到第i行；对于列置换，将明文图像I的Ii列置换到第i列； (3)为了明文图像I进行充分置换，可以多次重复步骤(1)和(2)，最后生成图像E’。
【文档编号】G06T1/00GK103871017SQ201410113452
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年3月25日 优先权日:2014年3月25日
【发明者】杨宇光, 徐鹏, 赵倩倩 申请人:北京工业大学