基于變換理論的量子圖像加密算法.pdf

1、量子圖像處理作為量子信息科學(xué)領(lǐng)域的分支之一，引起了研究者的廣泛關(guān)注。越來(lái)越多的量子圖像存儲(chǔ)表示通過(guò)各種方法被提出，并且各種經(jīng)典圖像處理技術(shù)與量子力學(xué)進(jìn)行融合用于量子圖像加密被研究?；诹孔有畔⒗碚摰膱D像加密方法具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，然而國(guó)內(nèi)外對(duì)其的研究還處于初步階段，且這些方法從信息論的角度看尚不完善。針對(duì)經(jīng)典圖像加密算法處理速度慢和現(xiàn)有量子圖像加密算法安全性分析的不足，本文擬結(jié)合量子圖像的表示方法，研究經(jīng)典加密算法、量子加密算法以及經(jīng)典與量

2、子融合加密算法在量子圖像加密技術(shù)中的應(yīng)用。從密碼學(xué)和信息論的角度，將量子變換理論作為新工具應(yīng)用到量子圖像加密技術(shù)中，基于量子圖像關(guān)聯(lián)分解、量子廣義Arnold變換、量子旋轉(zhuǎn)變換、Hadamard變換以及量子異或等變換理論設(shè)計(jì)了三個(gè)安全高效的量子圖像加密新算法，并通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)仿真等手段確保算法具有經(jīng)典和量子信息論安全性以及超越經(jīng)典圖像加密算法的良好性能。取得的主要研究成果如下：
　　提出了基于圖像關(guān)聯(lián)分解的量子圖像加密算法。利

3、用量子態(tài)疊加和測(cè)量原理，建立圖像像素之間的關(guān)聯(lián)，把圖像分解成一系列特征子圖分別存儲(chǔ)在完全二叉樹集合中，利用隨機(jī)相位操作、量子旋轉(zhuǎn)操作和Hadamard變換對(duì)不同的子圖像進(jìn)行操作實(shí)現(xiàn)加密，然后對(duì)所有的子圖像進(jìn)行疊加得到密文圖像。該算法有較大的密鑰空間從而能抵抗強(qiáng)力攻擊，且比經(jīng)典加密算法具有更低的計(jì)算復(fù)雜度。此外，密文圖像以量子態(tài)的形式在通信信道傳送，使得量子圖像加密超越經(jīng)典圖像加密的性能，增強(qiáng)了算法的安全性。
　　構(gòu)造了量子廣義Ar

4、nold變換，并設(shè)計(jì)了量子線路實(shí)現(xiàn)，提出了基于廣義Arnold變換和雙隨機(jī)相位編碼的量子圖像加密算法。利用廣義Arnold變換對(duì)量子圖像的位置信息進(jìn)行置亂，同時(shí)在空間域和量子傅里葉變換頻域分別對(duì)量子圖像的灰度信息進(jìn)行相位編碼操作實(shí)現(xiàn)對(duì)量子圖像的混淆和擴(kuò)散。該加密密鑰由廣義Arnold變換系數(shù)矩陣的獨(dú)立參數(shù)、迭代次數(shù)以及兩個(gè)控制隨機(jī)相位的二進(jìn)制序列組成，具有很大的密鑰空間。數(shù)值仿真和理論分析驗(yàn)證了該加密算法有較強(qiáng)的抗攻擊性，對(duì)密鑰敏感，且

5、具有較低的計(jì)算復(fù)雜度。
　　在新型增強(qiáng)的量子圖像表示基礎(chǔ)上，構(gòu)造了量子圖像的異或操作，提出了基于超混沌系統(tǒng)的量子圖像加密算法。利用陳氏超混沌系統(tǒng)生成超混沌序列，通過(guò)選擇合適的超混沌序列來(lái)控制非操作和單位操作從而構(gòu)造量子變換，然后利用量子變換實(shí)現(xiàn)對(duì)量子圖像所有灰度值的異或操作達(dá)到完成量子圖像加密的目的。陳氏超混沌系統(tǒng)的初始值具有很高的靈敏度，作為加密算法的密鑰，增強(qiáng)了算法的安全性。理論分析與經(jīng)典數(shù)值仿真結(jié)果驗(yàn)證了該加密算法具有可行性