[發(fā)明專利]基于圖像關(guān)聯(lián)分解的量子圖像加密方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410015026.3
• 申請日: 2014-01-14
• 公開（公告）號: CN103778593B
• 公開（公告）日: 2018-01-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周南潤;華天祥;龔黎華;余鎮(zhèn)波
• 申請（專利權(quán)）人: 南昌大學(xué)
• 主分類號: G06T1/00
• 分類號: G06T1/00;G06T9/40
• 代理公司: 南昌新天下專利商標(biāo)代理有限公司36115
• 代理人: 施秀瑾

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明專利屬于信息安全技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及量子圖像加密技術(shù)。

背景技術(shù)

伴隨著數(shù)字產(chǎn)品和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，人們越來越依賴于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)信息資源，使得網(wǎng)絡(luò)信息的安全問題日益突出，因此信息安全技術(shù)備受關(guān)注，其中密碼技術(shù)是信息安全的核心。圖像作為一種特殊的信息載體，由于其直觀、生動、形象等特點，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。圖像數(shù)據(jù)一般比較大，完成圖像處理任務(wù)比較耗時，因此利用更加強(qiáng)大的量子計算機(jī)來有效完成圖像處理任務(wù)將是夢寐以求的事情。

世界上首臺可編程的通用量子計算機(jī)已在美國面世，但真正在量子計算機(jī)上完成獨立量子程序設(shè)計并使其如經(jīng)典計算機(jī)那樣可實現(xiàn)多方面的功能，仍需要一段漫長的研究才可望實現(xiàn)。眾所周知，量子計算的并行性、疊加性及其測量的不確定性是量子計算機(jī)優(yōu)于經(jīng)典計算機(jī)的根本，面對如此強(qiáng)大的優(yōu)勢，量子信息理論與技術(shù)的研究備受青睞。圖像處理是近50年發(fā)展起來的一門具有廣泛應(yīng)用前景的技術(shù)，處理過程中的各個環(huán)節(jié)需要復(fù)雜的程序設(shè)計及大量的計算。因此，量子圖像處理的研究一方面有助于優(yōu)化圖像處理的各個環(huán)節(jié)，提高其程序運行速度和效率；另一方面，量子圖像作為量子信息的一部分，能使得今后量子計算機(jī)的應(yīng)用更加全面而廣泛。量子計算機(jī)并未普及，能提供的操作平臺極其有限，因此對量子操作的研究依然基于經(jīng)典計算機(jī)，但其理論思想不容忽視。對量子圖像處理技術(shù)進(jìn)行深入研究有必要，且具有重要的價值。

圖像加密源于早期的經(jīng)典加密理論，其目的是隱藏圖像本身的真實信息，使竊取者在得到密文后無法獲得明文圖像，而合法的接收方可用預(yù)先約定的密鑰對密文進(jìn)行解密。傳統(tǒng)的加密技術(shù)主要依靠計算機(jī)或數(shù)字信號處理器等電子器件來實現(xiàn)，因此受到速度和成本的限制。隨著信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人們開始研究更加安全和高效的量子圖像加密技術(shù)，他們把目光投向基于量子信息理論與技術(shù)的圖像加密方法。與傳統(tǒng)的加密技術(shù)相比，量子圖像加密技術(shù)具有大容量、高處理速度、高魯棒性、天然的并行性和難以破解等諸多優(yōu)勢，因而成為近年來國際上熱門的研究方向。

量子圖像加密方法的本質(zhì)是通過經(jīng)典加密算法、量子算法和經(jīng)典加密算法與量子算法相結(jié)合的算法對用量子態(tài)表示的圖像進(jìn)行處理，實現(xiàn)量子圖像的加密。2003年空間動力研究實驗室(AFRL)的G.Beach,G.Lomont和C.Cohen嘗試了創(chuàng)造針對量子計算機(jī)的圖像處理算法。研究顯示存在量子算法可被應(yīng)用于圖像處理領(lǐng)域。他們的研究同時也暗示了量子圖像處理在未來的戰(zhàn)爭中有相當(dāng)重要的意義。在量子圖像加密過程中量子圖像是存儲在量子態(tài)中，通信信道以量子態(tài)的形式傳送圖像，由量子不可克隆定理及測不準(zhǔn)原理知，量子力學(xué)中對任意一個未知的量子態(tài)進(jìn)行完全相同的復(fù)制的過程是不可實現(xiàn)的；對一個未知量子態(tài)進(jìn)行測量,將使得它不可逆轉(zhuǎn)地坍縮到一個新的量子態(tài)。如果攻擊者想要獲得關(guān)于量子態(tài)的信息，則必須對量子態(tài)進(jìn)行測量，這將使量子態(tài)隨機(jī)坍縮成一個本征態(tài)；因此，量子圖像加密超越經(jīng)典圖像加密的限制，具有量子保密通信安全性。由于量子計算機(jī)具有并行數(shù)據(jù)處理能力，圖像的每一個像素都可以同時被傳播和處理，所處理的圖像越復(fù)雜，信息量越大，這種優(yōu)勢就越明顯。量子加密算法安全性較高，抗噪性能也較好。近幾年來涌現(xiàn)出各種量子圖像處理新算法，如利用量子測量坍縮的思想設(shè)計了圖像邊緣檢測算法、灰度圖像半影調(diào)算法和圖像密鑰生成算法等圖像處理算法，綜合利用經(jīng)典算法與量子算法的工作更是層出不窮。

隨著量子圖像的推廣，一些新的量子算法作為新的理論工具應(yīng)用到量子圖像加密當(dāng)中。如何探尋符合量子圖像自身特點的安全算法，是一個剛剛起步的研究方向。根據(jù)耗散量子映射對初始條件敏感的特性，2012年A.Akhshani等基于量子logistic映射提出了一個圖像加密方案，該研究為量子映射應(yīng)用于密碼學(xué)領(lǐng)域指明了方向。周日貴等基于量子圖像幾何變換提出了一種量子灰度圖像對稱加密算法，但是需要對量子圖像進(jìn)行多次重復(fù)存儲。2013年北京郵電大學(xué)高飛博士將量子水印圖像嵌入量子載體圖像的Fourier系數(shù)中，提出了一個魯棒的量子圖像水印算法。2013年楊宇光等基于量子傅里葉變換和雙隨機(jī)相位編碼技術(shù)提出了一個新型灰度圖像加密方案，該研究有利于更多地將光學(xué)信息處理技術(shù)引入量子領(lǐng)域。結(jié)合量子信息的優(yōu)點使量子圖像處理超越經(jīng)典圖像處理的限制，可提高或改善加密系統(tǒng)某些方面的性能。量子圖像加密技術(shù)發(fā)展空間很大，應(yīng)用前景十分廣闊。