本发明涉及图像处理，具体涉及一种图像加密方法、解密方法、电子设备及可读存储介质。
背景技术：
1、量子信息与量子计算作为量子物理与信息科学的交叉学科，在量子通信、量子密码、量子计算机等领域发展迅速，取得了令人瞩目的进步。量子图像处理是量子信息的一个分支，涉及创建量子协议和算法来存储、更改和检索视觉数据。尽管该领域仍处于起步阶段，但它已经对图像处理做出了重大贡献，包括量子图像水印、量子图像加密和量子图像隐写等。为了隐藏图像数据以及在秘密存储和传输之前或之后进行预处理，通常会使用图像加密。其主要目标是对有序的现实世界图像进行混淆，从而大大提高图像的安全性。
2、随着越来越多的人熟悉量子图像处理的概念，许多其他加密技术也得以发展。双随机相位编码最初由杨等人于2013年应用于量子密码研究。2013年，abd等人进一步提升了密钥大小和算法性能。随后，arnold置乱、fibonacci置乱和hilbert置乱相继出现。相对于传统算法，它们置乱较为简单，同时benioff p等人在2014年利用量子电路实现了它们。之后的发展中arnold置乱被广泛的应用和开发，例如yu-guangyang等人通过创建一维量子元胞自动机，该系统在安全性和韧性方面具有一些优势，并于2016年完成了量子图像加密系统的研发。xing-bin liu等人于2018年提出了一种双重量子图像加密技术，利用量子arnold变换和量子比特随机旋转,由于量子傅立叶变换实现的量子比特的随机旋转，其计算变得更具挑战性。
3、虽然arnold变换的有效混淆效果在图像加密领域日渐成熟。然而，它存在一个致命缺陷，即在多次迭代后容易被破解。因此，混沌在这个问题上提供了良好的混淆和扩散加密技术，建立了一种新的加密方法，因其简单性和效率、对初始条件的极端敏感性、自相关快速衰减、非周期性、遍历性以及随机性等特征。从理论上讲，混沌高维系统更容易出现超混沌现象。超混沌的概念由rossler提出，并引入了超混沌罗斯勒系统。超混沌系统在安全通信中具有更高的应用价值，因为它具有许多lyapunov指数，系统动态行为的预测更加具有挑战性。混沌系统虽然在某些应用中具有许多有利特性，但是由于低维混沌系统可能受到其动力学方程的限制，这可能导致它们的行为相对简单。这样的简单性在某些应用中可能不足以提供足够的安全性。另外对于初始条件非常敏感，微小的初始变化可以导致系统的行为发生巨大变化因而会导致预期相反的效果，那就是这种敏感性可能使系统容易受到外部干扰或攻击的影响，降低了系统的安全性。
技术实现思路
1、为了克服上述技术缺陷的不足，本发明引入了四维度的混沌系统，利用来自四维混沌系统的密钥集对图像的色彩信息和坐标信息进行加密，随后将量子arnold变换与由四维混沌系统创建的另一个加密密钥相结合，获得了加密算符，并将加密算符应用于第一阶段创建的加密图像，极大提高图像加密的安全性。
2、本发明的目的之一在于，提供一种融合四维混沌系统和arnold置换的图像加密方法，关键在于包括以下步骤：
3、s1.建立lorenz四维混沌方程，并通过数值分析方法计算函数运动轨迹曲线x(t)，y(t)，z(t)，w(t)；
4、s2.随机选择函数运动轨迹曲线的某一变量值作为非线性控制器，生成混沌信号；
5、s3.使用随机生成混沌信号创建随机灰度值密匙，执行模运算，归一化得到初步加密图像；
6、s4.使用包含混沌信号的加密算符对初步加密图像进行置乱，完成加密。
7、进一步地，所述s1具体为：
8、s1.1确定混沌系统模型：选择三维lorenz方程作为混沌系统，保持系统满足混沌动力学的能力的同时，引入第四维变量，建立lorenz四维混沌方程(式1)
9、
10、s1.2设置初始化和控制参数：采用runge-kutta方法定义四维轨迹的初始值：x(0)，y(0)，z(0)，w(0)；设置控制参数为，α＝10，β＝8/3，γ＝28；-1.52≤r≤-0.06；s1.3数值积分求解微分系统：利用runge-kutta方法计算函数运动轨迹的曲线x(t)，，y(t)，z(t)，w(t)。
11、进一步地，所述s2具体为：
12、s2.1选择非线性控制器：给定初始值后，选择lorenz四维混沌方程的一个变量值作为非线性控制器产生混沌信号，用于生成关键参数；具体的，产生混沌信号k1＝x(tn)，k2＝y(tn)，k3＝z(tn)；
13、s2.2设置步长：设置非线性控制器中的时间步长t，在每个时间步长t内，计算离散变量x(t)，y(t)，z(t)，w(t)的值，生成离散时间频域；
14、s2.3截取每个离散时间获得混沌系统的对应轨迹，生成三个混沌信号k1＝x(tn)，k2＝y(tn)，k3＝z(tn)。
15、进一步地，所述s3具体为：
16、s3.1使用混沌系统方程随机生成混沌信号，采用公式2将混沌信号归一到[0，1]的范围，创建随机灰度值密匙；具体的，对混沌信号k2、k3创建随机灰度值密匙；
17、
18、s3.2采用公式3将灰度值密钥与原图像的灰度值进行模运算；
19、
20、s3.3采用公式4将经过加密的灰度信息转换成量子状态，并归一化，得到初步加密图像，
21、
22、进一步地，所述s3.2中，在arnold置换前，需要将原始图像编码成量子图像，即将原始图像的大小从2n×2n扩展为任意大小h×w，具体的量子态如式5表示：
23、
24、其中，每个灰度信息编码成八位量子比特的量子态来表示[0，255]之间的像素值，即
25、进一步地，所述s4具体为：
26、s4.1使用广义arnold变换矩阵将初步加密图像的像素坐标(x，y)变换为(x′，y′)，具体的变换矩阵如式6所示：
27、
28、s4.2使用混沌系统方程随机生成控制混沌信号；具体的，由x作为维度上的轨迹生成的混沌信号k1，并用于arnold变换；
29、s4.3采用式7将混沌信号用于arnold变换获得包含混沌信号的加密算符，将初步加密图像应用加密算符并嵌入灰度信息，实现加密，
30、
31、混沌信号的动态性使其能够影响arnold矩阵的幂运算，将这种混沌信号与矩阵运算结合使用的图像处理技术，可以在信息安全和图像处理中使用，以提高图像的安全性和保密性。
32、本发明的目的之二在于，提供一种图像解密方法，关键在于包括以下步骤：
33、s1.获取lorenz四维混沌方程的控制参数和初始值；
34、s2.采用式8对arnold变换算子进行逆运算，将置乱后的像素位置还原；
35、
36、其中，|ψ″>为加密后的图像量子态表示，|ψ′r>为原始像素坐标的图像对应的量子态表示，为arnold矩阵的逆运算；
37、s3.根据获取的混沌系统参数以及混沌系统的初始值，使用式9进行逆运算，得到加密前的原始图像，
38、
39、
40、其中，为还原后的色彩信息对应的量子态表示，为图像加密后色彩信息的量子比特表示。将还原后的色彩信息和位置信息组合，可以还原出全部的原始图像信息的量子态|ψ)。
41、本发明的目的之三在于，提供一种计算机可读介质，关键在于：所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行如上述方案中的图像加密方法的步骤。可以高效且专一的在处理器中执行基于四维混沌系统和arnold置换的图像加密的步骤。
42、本发明的目的之四在于，提供一种计算机可读介质，关键在于：所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行以上方案中图像解密方法的步骤。可以高效且专一的在处理器中执行基于四维混沌系统和arnold置换的图像解密的步骤。
43、本发明的目的之五在于，提供一种电子设备，关键在于：包括处理器、可读存储器和总线，所述存储器存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当电子设备运行时，所述处理器与所述存储器之间通过所述总线通信，所述机器可读指令被所述处理器执行时执行如以上方案中图像加密和/或解密方法的步骤。可以存储并执行四维混沌系统和arnold置换的算法步骤和结果。
44、具体的实施例中，可读存储器可用于存储加密算法中所需的控制参数、初始条件和密钥等信息，能够存储处理量子比特的信息，提供了更高的存储密度和信息安全性，能够存储混沌系统的参数并保护这些信息免受未经授权的访问。此外，可读存储器还可以在需要时快速读取存储的信息，以供处理器使用。
45、具体的实施例中，处理器可用于执行基于量子计算的程序，执行四维混沌系统和amold置换的加密算法步骤，以实现图像加密和解密，模拟量子并行性来进行量子图像的加密和解密操作，提供更高的计算效率，同时还具备适应性，可以与专用可读存储器紧密合作，以动态地获取所需的参数和密钥，不仅可以保证加密算法的安全性，还可以提供高效的性能，以满足现代信息安全需求。
46、具体的实施例中，处理器上的计算机模拟环境，负责保障执行图像加密算法的各个步骤。该环境负责协调存储器与处理器之间的数据，管理图像加密步骤中的参数分配，可以根据程序的需求进行灵活调整，以实现图像加密和解密。
47、与现有技术相比，本发明有以下优势：
48、(1)基于量子计算的并行性和叠加行以及纠缠特性，图像加密的速度相较于经典图像处理呈指数级上升；因其是非线性和高度复杂的数学运算，使得破解算法相当困难，提供了高度的安全性，使得未经授权的访问者难以解密图像；
49、(2)具有高度的随机性质，使得每次加密操作都会产生不同的结果，对于保护图像的机密性非常有利，因为攻击者很难预测下一个加密步骤的具体结果；
50、(3)可以轻松应用于不同大小和类型的图像，使其在处理多种图像格式和分辨率时具有良好的适应；同时也具有可逆性，允许授权用户在提供正确的密钥或参数时还原原始图像，而不会损害图像质量；
51、(4)对于常见的攻击方法，如差分攻击、统计分析和频域分析，具有一定的抗性，能够有效地抵抗多种攻击尝试，提高了图像的安全性。
1.一种图像加密方法，其特征在于包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种图像加密方法，其特征在于所述s1具体为：
3.根据权利要求1所述的一种图像加密方法，其特征在于所述s2具体为：
4.根据权利要求1所述的一种图像加密方法，其特征在于所述s3具体为：
5.根据权利要求4所述的一种图像加密方法，其特征在于所述s3.2中，在arnold置换前，需要将原图像编码成量子图像，即每个灰度信息编码成八位量子比特的量子态来表示[0，255]之间的像素值，具体的量子态如式5表示：
6.根据权利要求1所述的一种图像加密方法，其特征在于所述s4具体为：
7.一种图像解密方法，其特征在于包括以下步骤：
8.一种计算机可读介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行如权利要求1至6中任一所述的图像加密方法的步骤。
9.一种计算机可读介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行如权利要求7所述的图像解密方法的步骤。
10.一种电子设备，其特征在于：包括处理器、可读存储器和总线，所述存储器存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当电子设备运行时，所述处理器与所述存储器之间通过所述总线通信，所述机器可读指令被所述处理器执行时执行如权利要求1至7中任一所述的图像加密和/或解密方法的步骤。
