基于离散量子游走和中国剩余定理的图像加密压缩方法
【专利摘要】本发明涉及基于离散量子游走和中国剩余定理的图像加密压缩方法。所述方法包括两个阶段：密钥生成阶段，利用直线上单粒子一维离散QRW生成概率分布并转换成能用于加密的密钥矩阵；图像加密压缩阶段，利用生成的密钥矩阵和中国剩余定理对图像加密压缩。将得到的加密密钥与原始图像进行异或操作，随后对得到的图像进行Arnold变换。应用中国剩余定理根据给定的压缩比k对置乱图像进行扩散和压缩。与基于混沌的和光学的图像加密压缩方案相比，本发明具有更高的安全性和更好的压缩性能。该算法的最大优点是能够产生一个理论上无限大的密钥空间，以抵抗暴力攻击的能力。各种性能比较表明该算法优于先前的研究，更能满足实际的需求。
【专利说明】基于离散量子游走和中国剩余定理的图像加密压缩方法
【技术领域】
[0001]本发明属于信息安全领域，涉及图像加密压缩技术，尤其涉及一种基于离散量子游走和中国剩余定理的新型图像加密压缩方法。
【背景技术】
[0002]随着互联网的飞速发展，图像数据的安全传输由于能够轻易被攻击者截获而备受挑战。另外，由于图像的一些固有的特性，例如庞大的数据容量，高冗余度和相邻像素之间的强相关性，通常需要对图像进行压缩以使信息高效地交换。在这种背景之下，国内外学者展开了联合加密压缩的研究。
[0003]一种实用的图像加密压缩方法应提供良好的加密和压缩性能。虽然各种图像加密压缩方法被提出，大部分都在安全性和性能上有或多或少的缺陷，如弱的密钥流生成方式，密钥空间小，以及安全性和压缩性能之间的权衡。方法由于具有对初始条件的灵敏度高等特点，混沌系统在图像加密压缩领域被广泛地研究。然而，这些方法大多数未能利用混沌系统的特性。另一个著名的系统，光学系统，由于其处理二维复杂数据具有并行性和高速的独特优点，在联合加密压缩领域发展迅速，并提出了各种相应的光学图像加密压缩方法。例如，一些方案[C.P.Wu, C.C.J.Ku0.Design of integrated multimedia compression andencryption systems.1EEE Trans.Multimed.7 (5) (2005) 828-839]被认为是不安全的或低效的[G.Jakimoski, K.P.Subbalakshm1.Cryptanalysis of some multimedia encryptionschemes.1EEE Trans.Multimed.10(3) (2008) 330-338] ? 从密码学的角度来看，这些方案中，控制间隔分配与密钥的加密操作只相当于混乱而无扩散。这将遭受一些经典攻击，如选择/已知明文攻击。为了解决这个缺陷，一个实用的图像加密压缩方法应该对明文存在一定的灵敏度。因此研究基于量子随机游走(Quantum Random Walks，简记为QRW)和中国剩余定理(Chinese Remainder Theorem,简记为CRT)的图像加密压缩方法势在必行。
【发明内容】
[0004]针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于离散量子游走和中国剩余定理的图像加密压缩方法，旨在实现对图像的机密性保护。
[0005]本发明所述方法包括两个阶段:(I)密钥生成阶段:利用直线上单粒子一维离散QRW生成概率分布并转换成能用于加密的密钥矩阵；(2)图像加密压缩阶段:利用生成的密钥矩阵和CRT对图像加密压缩。
[0006]一种基于离散量子游走和中国剩余定理的图像加密压缩方法，其特征在于包括以下步骤:
[0007]步骤一，生成密钥矩阵，方法如下:
[0008]( I)运行直线上单粒子离散QRW方法生成一概率分布；
[0009](2)将生成的概率分布转换成能用于加密的密钥矩阵。
[0010]步骤二，对图像进行加密压缩，方法如下:[0011](I)将生成的加密密钥矩阵与原始图像进行异或操作；
[0012](2)对得到的图像进行Arnold变换；
[0013](3)应用CRT根据给定的压缩比k对置乱图像同时进行扩散和压缩。
[0014]与现有技术相比，本发明具有以下优点:与现有的图像加密压缩技术相比，QRW所拥有的非线性动力学行为和初始状态的无限可能性，使得QRW具有密钥空间更大、密文相关性更低、更优的加密质量和信息熵等特点。本发明将QRW的优势和CRT能够根据任何给定的压缩比同时扩散和压缩置乱图像的优势相结合，与其他图像加密压缩方法相比具有更高的安全性和更好的压缩性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为所提出的图像加密压缩原理图；
[0016]图2为压缩前后的图像:(a)为明文Lena图像，(b)为加密压缩图像，(C)为解密解压缩后的图像。
[0017]
[0018]
[0019]
[0020]【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]一种基于离散量子游走和中国剩余定理的图像加密压缩方法，流程图如图1所示，包括以下步骤:
[0023]步骤一，生成密钥矩阵，具体方法如下:
[0024](I)选择密钥((α，β )，r)，运行直线上单粒子一维离散QRW，生成一个概率分布。这里，α，β代表初始硬币态的系数且满足归一化条件I α |2+| β I2 = I。r为QRW的步长。
[0025](2)将概率分布中所有的值乘上108并模256，形成一个随机序列S ={S1；S2；...，SMXN}，其中M和N分别是明文图像I的高度和宽度。
[0026]步骤二，图像加密压缩过程，具体方法如下:
[0027](I)将步骤一生成的随机序列S转换成矩阵P，其与原始图像具有相同的尺寸MXN，然后使P与原始图像I异或，生成图像E =伍”匕...々』。
[0028](2)用广义Arnold变换在E上映射，得到置乱图像E’。
[0029](3)设定压缩比为k。具体而言，随机选择k个两两互质的正整数:
[0030]Iii1, m2,...mk, Hii > 256, (m” m」)=I, I ^ i, j ^ kD
[0031](4)把置乱图像E’平均分割成MN/k块，依据式⑴和⑵加密得到每块的灰度值
Yj,以及加密压缩后的序列Y = (Y1, Y2,…Ym/k}:
【权利要求】
1.基于离散量子游走和中国剩余定理的图像加密压缩方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤一，生成密钥矩阵； (1)选择密钥((α,β ), r)，运行直线上单粒子一维离散量子随机游走，生成一个概率分布；这里，α，β代表初始硬币态的系数，且满足归一化条件I α I2+1 β I2 = I ;r为量子随机游走的步长； (2)将概率分布中所有的值乘上IO8并模256，形成一个随机序列S=(S1, S2，...，SMXN}，其中M和N分别是明文图像I的高度和宽度； 步骤二，图像加密压缩过程； (1)将步骤一生成的随机序列S转换成矩阵P，其与原始图像具有相同的尺寸MXN，然后使P与原始图像I异或，生成图像E = (E1, E2j..., EmxJ ； (2)用广义Arnold变换在E上映射，得到置乱图像E’； (3)设定压缩比为k;具体而言，随机选择k个两两互质的正整数:
Iii1, m2, Hii > 256, (m” Hij) = I, 1≤i, j≤k ； (4)把置乱图像E’平均分割成MN/k±夹，依据下式加密得到每块的灰度值Yj，以及加密压缩后的序列Y = {Yi, Y2,…Ym/iJ:
【文档编号】H04N19/88GK103957418SQ201410111769
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年3月24日 优先权日:2014年3月24日
【发明者】杨宇光, 田举, 张明鸥 申请人:北京工业大学