摘要
图像作为信息传输的重要载体，其安全性不容忽视。但是由于图像载体相比文本具有更高的信息冗余度，所以保证图像加密算法安全性的同时，效率也是评价算法好坏的重要因素。近年来图像破译手段愈加发达，对于更安全更有效更新颖的图像加密算法的需求也愈加迫切。量子计算机的高超算力，也使科研人员意识到其一旦普及对于传统加密算法的巨大威胁。 本文基于该现实背景，对现有混沌图像加密和量子图像加密算法进行了研究分析，构建了新的混沌系统并设计了新的图像加密算法，具体工作如下： (1)研究了忆阻器和细胞神经网络的特性，针对低维混沌密钥空间较小的特点，设计了新型3×3忆阻神经网络系统模型。通过调节参数使该系统处于混沌状态并产生三维结构的混沌吸引子。计算该系统的最大Lyapunov指数，证明了其混沌性。对系统产生的初始序列进行样本熵分析，针对该初始序列随机性较差、直方图分布不均匀的问题，设计并改进了混沌序列的差异化数据处理方法，再次进行样本熵分析，得到结论，差异化处理后的随机序列具有更高的随机性和安全性。 (2)对经典混沌加密算法通用的置乱-扩散操作进行调整，设计了包含置换-置乱-扩散三个步骤的混沌图像加密操作，提出了基于像素密码本和类魔方矩阵的数字图像加密算法。像素密码本和类魔方矩阵是本文新提出的概念，采用混沌序列构造并分别用于图像像素点的置换和置乱步骤。对算法进行了仿真和理论分析并与现有算法对比得出结论，该算法具有较高的安全性。 (3)针对类魔方矩阵构造效率低、像素密码本不能加密大色块图像的不足，提出了基于类魔方变换的量子图像加密算法。类魔方变换是本文新提出的概念，采用混沌序列构造并应用于量子图像加密置乱的步骤。该算法将传统加密思想引入量子图像，拓宽了量子加密算法研究的方向。对该加密算法的效率和安全性进行了分析，并与现有量子图像加密算法和本文提出的数字图像加密算法进行了对比，得出结论，该算法具有较高的加密效率以及较高的算法安全性。
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