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专利号: 201810924545X
申请人: 长春理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 计算;推算;计数
更新日期:2024-02-23
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.量子细胞神经网络混沌的多扩散图像加密解密方法,该方法包括加密过程和解密过程,其特征是;加密过程为:设定用户加密密钥为:双细胞量子细胞神经网络超混沌系统初值,迭代次数,控制序列的控制参数ku0,量子控制表的控制参数ku1,量子交换表的控制参数ku2,动态扩散密钥流的控制参数ku3和动态加密控制参数ku4;

步骤一、将大小为M×N的图像作为原始图像Image,进行奇偶拆分,拆分为由原始图像的偶数行组成的大小为 的图像块Img1以及由原始图像的奇数行组成的大小为的图像块Img2;即:Img1(k,j1)=Image(i1,j1)

Img2(k,j1)=Image(i2,j1)

其中,

步骤二、采用用户加密密钥中的双细胞量子细胞神经网络超混沌系统初值x10,y10,z10,w10和双细胞量子细胞神经网络超混沌系统迭代次数t1,迭代双细胞量子细胞神经网络超混沌系统,选取第td+1次至 次迭代结果,生成四个长度分别为 的混沌序列X,Y,Z,W,由下述公式表示为:td表示舍弃的迭代次数;

步骤三、由步骤二所述的混沌序列X,Y,Z,W生成两个控制开关序列K1,K2,生成方法由下式表示为:K1(l)=mod(abs(floor(X(l),Y(l))),4)K2(l)=mod(abs(floor(Z(l),W(l))),4)式中,mod为取模函数,abs为求绝对值函数,floor为向下取整,步骤四、将步骤二所述的混沌序列X,Y,Z,W分别按由上到下,由左到右的顺序进行矩阵变换,获得随机矩阵Qc1,随机矩阵Qc2,随机矩阵Qc3和随机矩阵Qc4;分别用下式表示为:步骤五、将步骤四中的随机矩阵Qc1,随机矩阵Qc2按照下式方法生成控制序列CT;

CT=mod(bitxor(Qc1,Qc2),ku0)其中,ku0为用户加密密钥中控制序列的控制参数,

步骤六、将步骤五中获得的控制序列CT按由上到下,由左到右的顺序转换,获得量子控制表QCT,用下式表示为:步骤七、采用下式方法构建x向量子交换表QEXT和y向量子交换表QEYT;

其中j2=1,2,3...N,ku1为用户密钥中量子交换表的控制参数,为正整数;

步骤八、将步骤一中所述的图像块Img1和图像块Img2分别进行加扰,获得加扰图像块Pimg1和加扰图像块Pimg2;

步骤九、对步骤八获得的扰图像块Pimg1进行正向扩散和反向扩散;扩散方法为:建立大小为 的正向扩散序列B1,B1的建立方法采用下式表示为:建立大小为 的反向扩散矩阵J1,J1的建立方法采用下式表示为:其中 B10为正向扩散序列

B1的初始值,J10为反向扩散序列J1的初始值;

对步骤八加扰图像块Pimg2进行正向扩散和反向扩散;扩散方法为:建立大小为 的正向扩散序列B2,B2建立方法采用下式为:建立大小为 的反向扩散矩阵J2,J2建立方法采用下式为:B20为正向扩散序列B2的初始值,J20为反向扩散序列J2的初始值;

步骤十、采用用户加密密钥中的双细胞量子细胞神经网络超混沌系统初值x20,y20,z20,w20以及双细胞量子细胞神经网络超混沌系统迭代次数t2,迭代双细胞量子细胞神经网络超混沌系统,选取第td1+1次至td1+M×N次迭代结果,生成四个长度分别为M×N的混沌序列X1,Y1,Z1,W1,td1为舍弃的迭代次数,用公式表示为:X1={x(td1+1),x(td1+2),x1(td1+3),......,x(td1+M×N)}Y1={y(td1+1),y(td1+2),y1(td1+3),......,y(td1+M×N)}Z1={z(td1+1),z(td1+2),z1(td1+3),......,z(td1+M×N)}W1={w(td1+1),w(td1+2),w1(td1+3),......,w(td1+M×N)}步骤十一、由步骤三所述控制开关序列K1生成动态扩散密钥流Q_k1,所述控制开关序列K2生成动态扩散密钥流Q_k2;将步骤九中所述反向扩散序列J1和反向扩散序列J2进行拼接,得到长度为M×N的合并反向扩散序列CJ,用公式表示为:步骤十二、对合并反向扩散序列CJ进行动态加密,获得动态加密序列D_CJ,方法下式;

R=bitxor(ku4,Q_k1(1))

R1=bitxor(CJ(p),Q_k1(p))

R2=bitxor(mod(R+Q_k1(p),M),Q_k2(p))D_CJ(p)=bitxor(R1,R2)

其中bitxor为按位异或函数,p=1,2,3,....M×N,其中ku4为用户密钥中动态加密控制参数,步骤十三、将步骤十二中获得的动态加密序列D_CJ按由上到下,由左到右的顺序转成矩阵,获得加密图像Cimage;

解密过程:

设定用户解密密钥为:双细胞量子细胞神经网络超混沌系统初值,迭代次数,解密控制序列的控制参数dku0;解密量子控制表的控制参数dku1,解密量子交换表的控制参数dku2,动态逆扩散密钥流的控制参数dku3和动态解密控制参数dku4;

步骤十四、采用用户解密密钥中的双细胞量子细胞神经网络超混沌系统初值dx10,dy10,dz10,dw10和双细胞量子细胞神经网络超混沌系统迭代次数dt1,迭代双细胞量子细胞神经网络超混沌系统,选取第dtd+1次至 次迭代结果,生成四个长度分别为 的解密混沌序列DX,DY,DZ,DW,分别用下式表示为:dtd为舍弃的迭代次数:步骤十五、由步骤十四所述的解密混沌序列DX,DY,DZ,DW生成两个解密控制开关序列DK1,DK2,生成方法如下式:DK1(l)=mod(abs(floor(DX(l),DY(l))),4)DK2(l)=mod(abs(floor(DZ(l),DW(l))),4)步骤十六、将步骤十五所述的解密混沌序列DX,DY,DZ,DW分别按由上到下,由左到右的顺序进行矩阵变换,获得解密随机矩阵DQc1,解密随机矩阵DQc2,解密随机矩阵DQc3,解密随机矩阵DQc4;

步骤十七、将步骤十六中的解密随机矩阵DQc1,解密随机矩阵DQc2按下式所示的方法生成解密控制序列DCT;

DCT=mod(bitxor(DQc1,DQc2),dku0)其中,dku0为用户解密密钥中解密控制序列的控制参数,步骤十八、将步骤十七中获得的解密控制序列DCT按照由上到下,由左到右的顺序转换,获得解密量子控制表DQCT;

步骤十九、采用下式所示的方法构建x向解密量子交换表DQEXT和y向解密量子交换表DQEYT;

其中,dku1为用户解密密钥中解密量子交换表的控制参数,步骤二十、采用用户解密密钥中的双细胞量子细胞神经网络超混沌系统初值dx20,dy20,dz20,dw20和双细胞量子细胞神经网络超混沌系统迭代次数dt2,迭代双细胞量子细胞神经网络超混沌系统,选取第dtd1+1次至dtd1+M×N次迭代结果,生成四个长度分别为M×N的解密混沌序列DX1,DY1,DZ1,DW1,分别用下式表示为:其中dtd1表示舍弃的迭代次数:DX1={x(dtd1+1),x(dtd1+2),x(dtd1+3),......,x(dtd1+M×N)}DY1={y(dtd1+1),y(dtd1+2),y(dtd1+3),......,y(dtd1+M×N)}DZ1={z(dtd1+1),z(dtd1+2),z(dtd1+3),......,z(dtd1+M×N)}DW1={w(dtd1+1),w(dtd1+2),w(dtd1+3),......,w(dtd1+M ×N)}步骤二十一、由步骤十五所述解密控制开关序列DK1生成解密动态扩散密钥流DQ_k1,解密控制开关序列DK2生成解密动态扩散密钥流DQ_k2,将步骤十三中获得的加密图像Cimage按由上到下,由左到右的顺序进行矩阵变换得一维序列DCim并进行动态逆扩散,获得动态逆扩散序列DJc,方法用下式表示为:DR=bitxor(dku4,DQ_k1(1))

DR1=bitxor(mod(DR+DQ_k1(p),M),DQ_k2(p))DR2=bitxor(DCim(p),DR1(i12))DJc(p)=bitxor(DR2,DQ_k1(p))其中,dku4为用户解密密钥中动态解密控制参数,

步骤二十二、将步骤二十一得到的动态逆扩散序列DJc前后拆分为逆扩散序列DJ1和逆扩散序列DJ2;

步骤二十三、将步骤二十二得到的逆扩散序列DJ2进行正向逆扩散和反向逆扩散的逆操作,生成正向逆扩散序列DD2和反向逆扩散序列DE2;

生成正向逆扩散序列DD2,方法如下式:

生成反向逆扩散序列DE2,建立方法采用下式表示为:

DD20为正向逆扩散序列DD2的初始值;DE20为反向逆扩散序列DE2的初始值;

步骤二十四、将步骤二十三获得的逆扩散序列DJ1进行正向逆扩散和反向逆扩散的逆操作,生成正向逆扩散序列DD1和反向逆扩散序列DE1;

生成正向逆扩散序列DD1,方法采用下式表示为:

生成反向逆扩散序列DE1,建立方法采用下式表示为:

DD10为正向逆扩散序列DD1的初始值;DE10为反向逆扩散序列DE1的初始值;

步骤二十五、将步骤二十三获得的反向逆扩散序列DE2和步骤二十四获得的反向逆扩散序列DE1,分别由按上到下由左到右的顺序进行矩阵变换,获得反向逆扩散矩阵DME2和反向逆扩散矩阵DME1;

步骤二十六、将步骤二十五中所述的反向逆扩散矩阵DME1和反向逆扩散矩阵DME2进行逆向加扰,获得逆加扰图像块DPME2和逆加扰图像块DPME1;

步骤二十七、建立一个大小为M×N的空矩阵,将步骤二十六获得的逆加扰图像块DPME1的每行按顺序分别放入空矩阵的偶数行中,再将逆加扰图像块DPME2的每行按顺序分别放入空矩阵中的奇数行中,获得解密图像Dimage。

2.根据权利要求1所述的量子细胞神经网络混沌的多扩散图像加密解密方法,其特征在于,双细胞量子细胞神经网络超混沌系统的状态方程,用公式表示为:式中x,y,z,w为双细胞量子细胞神经网络超混沌系统的状态变量,a1,a2与每个细胞内量子点间能量成正比,b1,b2为相邻细胞极化率之差的加权影响。

3.根据权利要求1所述的量子细胞神经网络混沌的多扩散图像加密解密方法,其特征在于,步骤十一中,由控制开关序列K1生成动态扩散密钥流Q_k1,生成规则采用表1表示为:表1

控制开关序列K1 动态扩散密钥流Q_k1

K1(ku2)=0 Q_k1=X1

K1(ku2)=1 Q_k1=Y1

K1(ku2)=2 Q_k1=Z1

K1(ku2)=3 Q_k1=W1

其中ku2为用户密钥中动态扩散密钥流Q_k1的控制参数,由控制开关序列K2生成动态扩散密钥流Q_k2,生成规则采用表2表示为:表2

其中ku3为用户密钥中动态扩散密钥流Q_k2的控制参数,

4.根据权利要求1所述的量子细胞神经网络混沌的多扩散图像加密解密方法,其特征在于,步骤八中,图像块Img1的加扰方法为:遍历图像块Img1中的所有像素点Img1(k,j2),当步骤六所述量子控制表QCT中位置为(k,j2)对应的QCT(k,j2)=0时,则将图像块Img1中位置为(k,j2)的像素点Img1(k,j2)与位置为(QEXT(k,j2),QEYT(k,j2))的像素点Img1(QEXT(k,j2),QEYT(k,j2))进行块内交换;

当步骤六所述量子控制表QCT中位置为(k,j2)对应的QCT(k,j2)>0时,则将图像块Img1中位置为(k,j2)的像素点Img1(k,j2)与图像块Img2中位置为(QEXT(k,j2),QEYT(k,j2))的像素点Img2(QEXT(k,j2),QEYT(k,j2))进行块间交换;

经块内块间交换后,获得图像块Img1的加扰图像块Pimg1;

图像块Img2的加扰方法为:

遍历图像块Img2中的所有像素点Img2(k,j2);当步骤六所述量子控制表QCT中位置为(k,j2)对应的QCT(k,j2)=0时,则将图像块Img2中位置为(k,j2)的像素点Img2(k,j2)与位置为(QEXT(k,j2),QEYT(k,j2))的像素点Img2(QEXT(k,j2),QEYT(k,j2))进行块内交换;

当步骤六所述量子混沌控制表QCT中位置为(k,j2)对应的QCT(k,j2)>0时,则将图像块Img2中位置为(k,j2)的像素点Img2(k,j2)与图像块Img1中位置为(QEXT(k,j2),QEYT(k,j2))的像素点Img1(QEXT(k,j2),QEYT(k,j2))进行块间交换,经块内块间交换后,获得图像块Img2的加扰图像块Pimg2。

5.根据权利要求1所述的量子细胞神经网络混沌的多扩散图像加密解密方法,其特征在于,步骤二十一、由解密控制开关序列DK1生成解密动态扩散密钥流DQ_k1,生成规则如表3所示:表3

控制开关序列DK1 动态扩散密钥流DQ_k1

DK1(dku2)=0 DQ_k1=DX1

DK1(dku2)=1 DQ_k1=DY1

DK1(dku2)=2 DQ_k1=DZ1

DK1(dku2)=3 DQ_k1=DW1

其中dku2为用户解密密钥中解密动态扩散密钥流DQ_k1的控制参数,由解密控制开关序列DK2生成解密动态扩散密钥流DQ_k2,生成规则如表4所示:表4

控制开关序列DK2 动态扩散密钥流DQ_k2

DK2(dku3)=0 DQ_k2=DX1

DK2(dku3)=1 DQ_k2=DY1

DK2(dku3)=2 DQ_k2=DZ1

DK2(dku3)=3 DQ_k2=DW1

其中dku3为用户解密密钥中解密动态扩散密钥流DQ_k2的控制参数,

6.根据权利要求1所述的量子细胞神经网络混沌的多扩散图像加密解密方法,其特征在于,步骤二十六中,将反向逆扩散矩阵DME2进行逆向加扰,操作方法为:遍历反向逆扩散矩阵DME2和反向逆扩散矩阵DME1中的所有像素点DME1(k,j2)和DME2(k,j2);

当步骤十八中所述的解密量子控制表DQCT中位置为(k,j2)对应的DQCT(k,j2)=0时,则将反向逆扩散矩阵DME2中位置为(k,j2)的像素点DME2(k,j2)与位置为(DQEXT(k,j2),DQEYT(k,j2))的像素点DME2(QEXT(k,j2),DQEYT(k,j2))进行块内交换;

当解密量子控制表DQCT中位置为(k,j2)对应的DQCT(k,j2)>0时,则将反向逆扩散矩阵DME2中位置为(k,j2)的像素点DME2(k,j2)与反向逆扩散矩阵DME1中位置为(DQEXT(k,j2),DQEYT (k,j2))的像素点DME1(DQEXT(k,j2),DQEYT(k,j2))进行块间交换;获得逆加扰图像块DPME2;

将反向逆扩散矩阵DME1进行逆向加扰,操作方法为:

当所述解密量子控制表DQCT中位置为(k,j2)对应的DQCT(k,j2)=0时,将反向逆扩散矩阵ME1中位置为(k,j2)的像素点DME1(k,j2)与位置为(DQEXT(k,j2),DQEYT(k,j2))的像素点DME1(DQEXT(k,j2),DQEYT(k,j2))进行块内交换;

当步骤二十一中所述解密量子控制表DQCT中位置为(k,j2)对应的DQCT(k,j2)>0时,再将反向逆扩散矩阵DME1中位置为(k,j2)的像素点DME1(k,j2)与反向逆扩散矩阵DME2中位置为(DQEXT(k,j2),DQEYT(k,j2))的像素点DME2(DQEXT(k,j2),DQEYT(k,j2))进行块间交换,获得逆加扰图像块DPME1。