[發(fā)明專利]基于分?jǐn)?shù)階量子混沌的一次一密光學(xué)圖像加密解密方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810924566.1
• 申請日: 2018-08-14
• 公開（公告）號: CN109086617B
• 公開（公告）日: 2020-06-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李錦青;底曉強;從立鋼;任維武;畢琳;解男男;祁暉;丁強;趙鴻雁;宋超群;孫蘇鵬;馬帥;蔡彬彬;陳曉冬;滿振龍;管紅梅
• 申請（專利權(quán)）人: 長春理工大學(xué)
• 主分類號: G06F21/60
• 分類號: G06F21/60;H04L9/00
• 代理公司: 長春眾邦菁華知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 22214
• 代理人: 王丹陽

1.基于分?jǐn)?shù)階量子混沌的一次一密光學(xué)圖像加密解密方法，其特征是，設(shè)定用戶加密密鑰，由復(fù)合混沌映射的初值和控制參數(shù)；兩組分?jǐn)?shù)階量子細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)超混沌系統(tǒng)的初值，控制參數(shù)，階數(shù)和迭代次數(shù)；變形分?jǐn)?shù)傅里葉變換的級數(shù)共同組成；

該方法由以下步驟實現(xiàn)：

步驟一、將大小為N*N的彩色明文圖像按紅、綠、藍(lán)三個色彩分量分解為三個大小為N*N的紅色分量矩陣RA、綠色分量矩陣GA和藍(lán)色分量矩陣BA；

步驟二、采用加密密鑰中的復(fù)合混沌映射的初值和控制參數(shù)對步驟一所述的紅色分量矩陣RA和綠色分量矩陣GA進(jìn)行復(fù)合混沌映射的置亂操作，獲得置亂后的紅色分量矩陣ERA和置亂后的綠色分量矩陣EGA；

步驟三、將步驟二獲得的置亂后的紅色分量矩陣ERA和置亂后的綠色分量矩陣EGA分別進(jìn)行矩陣變形，獲得置亂后的紅色分量序列SERA和置亂后的綠色分量序列SEGA；

步驟四、采用加密密鑰中的兩組分?jǐn)?shù)階量子細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)超混沌系統(tǒng)的初值和控制參數(shù)，階數(shù)，迭代次數(shù)，迭代兩細(xì)胞分?jǐn)?shù)階量子細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，生成四維矩陣Fqcnn1和四維矩陣Fqcnn2；

步驟五、將步驟四所述的四維矩陣Fqcnn1拆分為一個長度為N*N的混沌流序列SFqcnn1和一個大小為N*N的方形隨機矩陣C1；將步驟四所述四維矩陣Fqcnn2拆分為一個長度為N*N的混沌流序列SFqcnn2和一個大小為N*N的方形隨機矩陣C2；

步驟六、采用步驟三所述置亂后的紅色分量序列SERA和綠色分量序列SEGA分別與步驟五所述混沌流序列SFqcnn1和SFqcnn2生成擴散密鑰流KStream1和擴散密鑰流KStream2；

步驟七、將步驟六所述擴散密鑰流KStream1和擴散密鑰流KStream2與步驟三所述置亂后的紅色分量序列SERA和綠色分量序列SEGA通過異或操作生成加密后的紅色分量圖像CR和加密后的綠色分量圖像CG；

步驟八、將步驟七所述的加密后的紅色分量圖像CR和加密后的綠色分量圖像CG分別加上步驟五所述的方形隨機矩陣C1和方形隨機矩陣C2，生成第一復(fù)合混沌隨機相位模板CCRPM1和第二復(fù)合混沌隨機相位模板CCRPM2；

所述第一復(fù)合混沌隨機相位模板CCRPM1和第二復(fù)合混沌隨機相位模板CCRPM2的生成公式為：

CCRPM1＝exp[iπ(CR(x,y)+C1(x,y)]

CCRPM2＝exp[iπ(CG(u,v)+C2(u,v)]

式中(x,y)表示明文圖像像素點在輸入平面的坐標(biāo)；(u,v)表示像素點在傅里葉變換域的坐標(biāo)，i為虛部；

步驟九、將步驟一所述藍(lán)色分量矩陣BA與步驟八所述的第一復(fù)合混沌隨機相位模板CCRPM1相乘，相乘后的結(jié)果沿著x和y軸進(jìn)行級數(shù)為p1x和p1y的第一次變形分?jǐn)?shù)傅里葉變換，獲得第一次變形分?jǐn)?shù)傅里葉變換變換結(jié)果AF1；

步驟十、將步驟九第一次傅里葉變換結(jié)果AF1與步驟八生成的第二復(fù)合混沌隨機相位模板CCRPM2相乘，相乘后的結(jié)果沿著x軸和y軸進(jìn)行級數(shù)為p2x和p2y的第二次變形分?jǐn)?shù)傅里葉變換，獲得第二次變形分?jǐn)?shù)傅里葉變換結(jié)果AF2；

步驟十一、將步驟十所述第二次變形分?jǐn)?shù)傅里葉變換結(jié)果AF2與步驟七所述加密后的紅色分量圖像CR和綠色分量圖像CG進(jìn)行圖像復(fù)合，得到最終加密圖像；

解密過程為：設(shè)定用戶解密密鑰，由復(fù)合混沌映射的初值和控制參數(shù)；兩組分?jǐn)?shù)階量子細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)超混沌系統(tǒng)的初值，控制參數(shù)，階數(shù)和迭代次數(shù)；變形分?jǐn)?shù)傅里葉變換的級數(shù)共同組成；

步驟十二、將步驟十一獲得的加密圖像按紅、綠、藍(lán)三個色彩分量分解為三個大小分別為N*N的密文圖像紅色分量矩陣RC、密文圖像綠色分量矩陣GC和密文圖像藍(lán)色分量矩陣BC；

步驟十三、將步驟十二所述的藍(lán)色密文圖像分量矩陣BC分別沿著x軸和y軸進(jìn)行級數(shù)為-p2x和-p2y的變形分?jǐn)?shù)傅里葉逆變換，獲得逆變換結(jié)果為IAF2；

步驟十四、采用解密密鑰中的兩組分?jǐn)?shù)階量子細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)超混沌系統(tǒng)的初值和控制參數(shù)，階數(shù)，迭代次數(shù)迭代兩細(xì)胞分?jǐn)?shù)階量子細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，生成四維解密矩陣DFqcnn1和四維解密矩陣DFqcnn2；

步驟十五、將步驟十四所述四維解密矩陣DFqcnn1拆分為一個長度為N*N的解密混沌流序列DSFqcnn1和一個大小為N*N的方形隨機解密矩陣DC1；將步驟十四所述四維解密矩陣DFqcnn2拆分為一個長度為N*N的解密混沌流序列DSFqcnn2和一個大小為N*N的方形隨機解密矩陣DC2；

步驟十六、將步驟十二所述的密文圖像紅色分量矩陣RC和密文圖像綠色分量矩陣GC分別加上步驟十五所述的方形隨機解密矩陣DC1和方形隨機解密矩陣DC2，分別生成第一復(fù)合混沌隨機相位復(fù)共軛模板CCRPM1*和第二復(fù)合混沌隨機相位復(fù)共軛模板CCRPM2*；

所述第一復(fù)合混沌隨機相位復(fù)共軛模板CCRPM1*、第二復(fù)合混沌隨機相位復(fù)共軛模板CCRPM2*用公式表示為：

CCRPM1^*＝exp[-iπ(RC(x,y)+DC1(x,y))]

CCRPM2^*＝exp[-iπ(GC(u,v)+DC2(u,v))]

步驟十七、將步驟十三所述變形分?jǐn)?shù)傅里葉逆變換結(jié)果IAF2與步驟十六所述第二復(fù)合混沌隨機相位復(fù)共軛模板CCRPM2*相乘，得到的結(jié)果沿著x軸和y軸進(jìn)行級數(shù)為-p1x和-p1y的變形分?jǐn)?shù)傅里葉逆變換，獲得變形分?jǐn)?shù)傅里葉逆變換結(jié)果為IAF1；

步驟十八、將步驟十七所述變形分?jǐn)?shù)傅里葉逆變換結(jié)果IAF1與步驟十六所述第一復(fù)合混沌隨機相位復(fù)共軛模板CCRPM1*相乘，得到相乘結(jié)果DB；

步驟十九、將步驟十五所述解密混沌流序列DSFqcnn1和解密混沌流序列DSFqcnn2與步驟十二所得到的密文圖像紅色分量矩陣RC、密文圖像綠色分量矩陣GC進(jìn)行擴散逆變換，獲得擴散逆變換結(jié)果DRC和擴散逆變換結(jié)果DGC；

步驟二十、采用解密密鑰中的復(fù)合混沌映射的初值和控制參數(shù)對步驟十九獲得的擴散逆變換結(jié)果DRC和擴散逆變換結(jié)果DGC，進(jìn)行復(fù)合混沌逆映射，獲得逆映射結(jié)果DR和逆映射結(jié)果DG；

步驟二十一、對步驟二十所述的逆映射結(jié)果DR和逆映射結(jié)果DG，與步驟十八獲得的相乘的結(jié)果DB按照紅、綠、藍(lán)三個色彩分量進(jìn)行圖像復(fù)合，得到最終的解密圖像。