基于比特置乱的量子混沌图像加密方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种图像加密方法，更具体地说，尤其设及一种基于比特置乱的量子 混浊图像加密方法。
【背景技术】
[0002] 密码学中提出，一种良好的加密方法不仅应有足够大密钥空间，而且应对明文密 钥都极为敏感，还应相邻数据不相关，加密后信息分布均匀，运些特性为了抵抗穷举攻击、 差分攻击、等攻击方式。
[0003] 在2008年，首次提到一种基于置乱和替代结构的超混浊图像加密方法，现阶段，人 们提出W下Ξ类新混浊图像加密方法：
[0004] 1、基于复杂混浊系统图像加密方法，例如：Zhu Congxu在A novel image encryption scheme based on improved hyperchaotic sequences文中提出了基于超混 浊系统进行先后两次扩散加密方法(Optics Communications,2012,285(1) :29-37);
[0005] 2、在变换域中进行图像加密方法，例如：Liu Zhengjun等在Color image encryption by using Arnold transform and colorblend operation in discrete cosine transform domains文中提出了结合DCT对DC系数进行扩散和置乱加密方法 (Optics Communications,2011,284(1): 123-128) ；Zhang Xiaoqiang等在Remotesensing image enciTption in hybrid domains文中提出了基于WT的卫星混浊加密方法（Optics Communications, 2012,285(7):1736-1743)和 I3hatnagar G 等在 Image and video encryption based on dual spacefilling curves文中提出 了基于FrWT混浊图像加密方 法（Computer Journal,2012,55(6):667-685);
[0006] 3、基于量子混浊系统图像加密方法，例如：Tajima等在Practical quantum cryptosystem for metro area applications文中运用量子混浊的物理过程对图像进行 加密（I邸E Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,2007,13(4) :1031- 1038) ;Akhshani等在An image encryption scheme based on quantum Logistic map文 中首次仅使用量子混浊非线性方程对图像加密(Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation,2012,17(12):4653-4661)〇
[0007] 此类图像加密方法中，由于中间密钥和明文无关，因此对明文选择攻击防御不佳。 此后有人对该方法进行了改进，但也仅仅只是在算法中对像素值替换时增加了反馈，和明 文无关，对明文选择攻击防御效果亦不佳。总的看来，运类加密方法存在一些或多或少缺 陷，导致对选择密文和选择明文攻击防御性不好，很多基于上述理论的方法纷纷被选择明 文攻击破译。现有混浊图像加密方法中，由于计算机对浮点数运算造成精度丢失，会导致混 浊出现周期性，因此运类混浊图像加密方法不能很好的应用于实际。
【发明内容】
[000引本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于比特置乱的量子混浊 图像加密方法，解决计算机精度丢失问题，降低明文间的相关性，抵抗选择密文攻击和选择 明文攻击，提高破译难度。
[0009] 为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
[0010] -种基于比特置乱的量子混浊图像加密方法，包括W下步骤：
[0011] (1)输入RGB格式的图像大小为m X η的原始图像P;
[0012] (2)利用量子混浊系统生成混浊序列，对所述原始图像Ρ的像素进行比特位置乱操 作，得到中间置乱图像I，所述量子混浊系统为Logistic量子混浊系统，其动力学方程为
[0013]
[0014] 式中，r为可调参数，β是耗散参数，Xn、yn、Zn是系统的状态值，X:、Z:分别是Xn和Zn 的复共辆，系统参数取值re (3.74,4.00)，β> 3.5,状态值xe(0，l)，ye (0,0.2461)，ze (0，0.2461)时，系统呈现混浊特性；
[0015] 所述步骤(2)的具体操作步骤为：
[0016] 2.1)设定量子混浊系统的初始值X0，yo，Z0，ro，00作为密钥输入，将量子混浊系统迭 代K次（100含K含300)后的值舍弃，继续将量子混浊系统进行m X η次迭代，取出Χ、Υ、Ζ的值分 别得到长度为 mXn 的混浊序列 Χ={Χ?，Χ2，Χ3Γ··，ΧηΧη}、Υ={Υ?，Υ2，Υ3，···，ΥηΧηΚΡΖ={Ζ?，Ζ2, Ζ3,··· ,ZmXn}；
[0017] 2.2)在步骤2.1)的混浊序列中分别取出Χ、Υ、Ζ中的第i个实数值Xi、Yi、Zi，取Xi数 值的前8位非零数字生成数组序列W={Wi，化，W3, 一,181,取Yi数值的前8位非零数字生成数 组序列L=化1，1^2，1^3，-，，1^8}，取21数值的前8位非零数字生成数组序列9={91，化，93^··， Qs}，其中i取值从1开始，下同；
[001引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r、 1/、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r 在W数组中的位置使用一个新数组序列Wt= {Wti，Wt2，Wt3，…，Wts}来表示，对于1/在L数组中 的位置使用一个新数组序列化ti，Lt2，k3，…，Lts}来表示，对于皆在Q数组中的位置使用 一个新数组序列Qt = {Qti，Qt2，Qt3，· · ·，Qts}来表示；
[0019] 2.4)分离原始图像口中第1个像素点的3、6、8;基色分量，楠?、6、8;基色分量像素 值从十进制转化为-进制，并用数组I^it 二{Rbitl ,I?bit2 ,I?bit3 ,…，Rbits}、Gbit 二{Gbitl ,Gbit2 , Gbit3 ,…，Gbits巧邮bit二{Bbitl , Bbit2 , Bbit3 ,…，BbitS }分力[J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)得到的胖*心和恥序列，分别对数组化1*、亂滿化1述行置乱，置乱 后，得到该像素点的新的R、G、B像素值比特位排列R\it= {R/biti，R/bit2，R/bit3，···，R\it3}、 G bit 二（G bitl'G bit2,G bit3,...,G bit3 巧邮 bit 二（B bitl'B bit2,B bit3,...,B bits};
[0020] 2.5)令i = i+l，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=mXn，完成对图片中所有像素点的R、G、B像素值比特位的全局置乱；
[0021] 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;
[0022] (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：
[0023] 3.1)对中间置乱图像I中第i个像素点的值即中间密文i进行Di = mod((/ i X 248， 255)和Ci=mod(化+(/ i，255)的加密运算，求得该像素点的最终密文Ci;
[0024] 3.2)令i = i+l，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 X η，加密结束，得到最终加密图像q。
[0025] 本发明使用的Logistic量子混浊系统物理结构简单，但是量子混浊系统中扰动量 的存在使得系统非线性动力学特性复杂，从而解决了计算机精度丢失问题，再结合对图像 的像素值比特位进行全局置乱，使得明文间相关性降低，有效抵抗了选择密文攻击和选择 明文攻击，大大提高了破译难度，也使得加密系统不再是一成不变的固定系统，在方法中引 入随像素值发生变化的参量，导致不同的明文所使用的加密系统不相同。与常规加密