[發明專利]基于量子散列函數的新型圖像加密方法

在審

• 申請號: 201410113452.0
• 申請日: 2014-03-25
• 公開（公告）號: CN103871017A
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發明（設計）人: 楊宇光;徐鵬;趙倩倩
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G06T1/00
• 分類號: G06T1/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張慧

技術領域

本發明屬于信息安全領域，涉及圖像加密技術，尤其涉及一種基于量子散列函數的新型圖像加密方法。

背景技術

因特網技術的發展促進了多媒體通信的發展。由于數字圖像直觀形象的特點使之成為一種最重要的多媒體表示模型。當前圖像傳輸的主要挑戰是安全性。這說明了為什么要致力于圖像加密。近幾年，各種各樣的圖像加密算法被提出，但大多數圖像加密算法在安全和性能方面存在各種各樣的安全缺陷。例如，自Matthews提出第一個基于混沌的圖像加密算法后，各種各樣的基于混沌的圖像加密算法被提出，甚至提出了基于超混沌的圖像加密算法，但是還是被發現不能抵抗已知/選擇明文/密文攻擊。

此外，光學系統被廣泛用于圖像加密，但是大多數光學加密是遠遠不能令人滿意的。當然還有其他的一些傳統的圖像加密算法，比如基于MD5散列函數的圖像加密算法，基于AES算法的圖像加密算法，但是由于圖像具有數據量大，高損耗限度和像素之間的高度相關性等特點，使得這些傳統加密算法太復雜而不能很好地用于圖像加密。為了混亂像素之間的高度相關性，Arnold貓映射被用于擴散像素的位置，但是具有迭代次數有限的缺陷。此外基于密鑰共享、掃描模式或其它技術的圖像加密算法被提出，但是在安全性和性能方面或多或少存在著缺陷。

為了解決圖像加密方法的安全性和效率的問題，本發明結合量子散列函數（quantum?Hash?function，簡記為QHF），提出了一種基于QHF的新型圖像加密方法。QHF具有非線性動力學特性，并且硬幣態無窮多選擇的特性使得QHF的輸出更具有不可預測性，可生成理論上無限大的密鑰空間。因此QHF可以作為圖像加密系統的密鑰生成器，保證圖像加密的安全性。量子并行計算特性使得QHF的擴散速度指數級優于經典情形，因此也保證了圖像加密的效率。

發明內容

針對現有技術中存在的上述問題，本發明提供了一種基于量子散列函數的圖像加密方法，旨在提高圖像加密的安全性和性能。

本發明所述方法包括三個階段：（1）利用量子隨機游走生成QHF；（2）利用QHF生成密鑰矩陣；（3）利用QHF生成的密鑰用于圖像加密。

一種基于量子散列函數的圖像加密方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟一，利用量子隨機游走生成QHF。

步驟二，利用QHF生成密鑰矩陣，方法如下：

（1）運行QHF生成一概率分布；

（2）將生成的概率分布轉換成密鑰矩陣P。

步驟三，對圖像進行加密，方法如下：

（1）利用P與原始圖像I像素級異或生成混亂圖像E。

（2）利用P作為置換矩陣置換圖像E的像素位置獲得圖像E'。

（3）通過使用比特級置換方式來置換圖像E'的每一個像素的灰度值，得到最終加密的圖像E''。

與現有技術相比，本發明有以下優點：當前大多數圖像加密算法在產生密鑰流時都存在安全和性能方面的缺陷，例如密鑰空間小，不能保持安全性和性能的平衡。本發明利用QHF擁有的非線性動力學行為和狀態的無限可能性也會使QHF不穩定和不可預知。所有這些特點保證QHF可以作為一種良好的圖像加密系統的密鑰生成器。本發明所述方法的安全性依賴于密鑰理論上的無限可能性，而不是算法復雜度。因此，本發明基于QHF的圖像加密方法可以解決上述安全性和性能問題。

附圖說明

圖1為本發明所涉及的方法流程圖；

圖2為仿真實驗中所用的明文圖像；

圖3為圖2中明文圖像對應的密文圖像；

圖4為圖3中密文圖像對應的解密圖像。

具體實施方式

下面結合附圖及具體實施方式對本發明做進一步詳細說明。

一種基于量子散列函數的新型圖像加密方法，流程圖如圖1所示，包括以下步驟:

步驟1：利用量子隨機游走生成QHF。

QHF由量子隨機游走變換獲得。量子隨機游走包括兩個量子系統：漫步者和硬幣。

對于單漫步者單硬幣量子游走，整個系統在每一步的演化由幺正算子描述：