量子圖像處理

國家自然科學基金項目（61502016） 北京工業大學京華人才項目（2014JHL06） 北京交通大學中央高校基本科研業務費項目（2015JBM027）

基本介紹

• 書名：量子圖像處理
• 作者：姜楠
• ISBN：9787302422679
• 定價：39
• 出版社：清華大學出版社
• 出版時間：2016.04.01

書籍信息

作者：姜楠
定價：39元
印次：1-1
ISBN：9787302422679
出版日期：2016.04.01
印刷日期：2016.03.17

內容簡介

量子圖像處理是近幾年剛剛興起的研究方向，是融合量子信息、量子計算、圖像處理、數學等形成的新興交叉學科。本書在簡要介紹量子計算知識的基礎上，總結了量子圖像處理方面的研究現狀，並著重介紹本書作者在量子圖像處理方面的研究成果，包括量子圖像表示、量子圖像置亂、量子圖像幾何操作、量子偽彩色處理、量子信息隱藏等方面。對量子圖像處理感興趣的科研人員可以選用本書作為入門讀物或者參考書。

前言序言

1982年，諾貝爾物理學獎得主理察·費曼提出，量子計算機的計算速度遠遠超過經典計算機。20世紀90年代，Shor提出的量子素數因子分解算法以及Grover提出的量子搜尋算法，證明了量子計算機的計算能力。越來越多的研究人員開始探索量子計算機上的各種套用，量子圖像處理便是其中之一。

之所以要研究量子圖像處理，筆者認為有兩個主要原因：一是量子所具有的疊加、糾纏等特性可以大大提高複雜圖像處理算法的效率；二是缺少圖形圖像的計算機已經無法想像，作為新型計算工具的量子計算機必須迎合用戶的這一需求，具有圖像處理功能。

量子圖像處理是近幾年剛剛興起的研究方向，是融合量子信息、量子計算、圖像處理、數學等形成的新興交叉學科。雖然該方面的研究還很不成熟，在物理實現上還存在許多困難，但是它的理論優勢很可能對未來計算工具的發展產生深遠影響。

本書在簡要介紹量子計算知識的基礎上，總結了量子圖像處理方面的研究現狀，並著重介紹筆者在量子圖像處理方面的研究成果，具體內容如下：

第1章緒論部分，主要介紹量子圖像處理的研究意義，以及國內外目前關於量子圖像處理方面的研究現狀，列舉了當前量子圖像表示和量子圖像處理算法方面的一些研究成果。

第2章主要介紹量子計算基礎知識，包括量子態的表示、態疊加原理、量子系統的演化、量子態糾纏、不可克隆定理等，分析了量子計算機相比於經典計算機在時間和空間上的優勢，並簡要介紹量子計算中的基本量子邏輯門和量子比特的概念。

第3章介紹量子圖像處理的相關工作，分別對量子圖像表示和處理算法兩方面的工作進行總結、分析和展望。量子圖像表示方面，按時間順序介紹了QubitLattice、RealKet、EntangledImage、FRQI、NEQR、NAQSS等表示方法。處理算法方面，按類別介紹幾何變換、色彩處理、特徵提取、圖像分割、圖像置亂、圖像加密、信息隱藏和數字水印等方面的研究現狀。

從第4章開始，介紹筆者在量子圖像處理方面的研究成果。第4章給出一個新的量子圖像表示方法GQIR。GQIR是對NEQR量子圖像表示方法的改進，它可以表示任意H×W尺寸的量子圖像，其中H和W是任意的正整數。GQIR表示方法不僅可以表示灰度圖像，還可以表示彩色圖像，因為GQIR用q個量子比特表示顏色信息，這裡的q是圖像色深，通常當q=2時，表示二進制圖像；當q=8時，表示灰度值圖像；當q=24時，表示彩色圖像。後續章節的圖像處理算法都是基於GQIR表示方法展開的。

第5章對量子圖像置亂展開了研究，研究量子圖像的Arnold、Fibonacci、Hilbert3種置亂及其逆置亂方法。這3種置亂均是圖像處理中常用的置亂方法。Arnold置亂和Fibonacci置亂較為相似，都是基於加法線路實現的。Hilbert置亂是採用逐步疊代的方法實現的。量子置亂僅需對坐標信息處理一次即可，無須一個像素一個像素地處理。

第6章研究了量子圖像幾何操作，包括圖像縮放和圖像平移。圖像縮放方面，給出基於最近鄰的圖像放大和縮小算法，縮放倍數是2m這種形式，這是首次提出的能夠改變圖像尺寸的量子圖像處理算法。圖像平移方面，研究了圖像整體平移和循環平移。X軸方向的平移和Y軸方向的平移，這兩個部分的原理相同，且執行過程沒有先後之分。

第7章主要研究量子圖像處理中偽彩色處理算法，研究基於密度分層方法的偽彩色處理的量子實現。以GQIR量子圖像表示方法為基礎，通過分析經典量子偽彩色編碼方案，結合量子信息理論知識，給出了量子算法，量子算法中定義了量子色圖QCR。以GQIR和QCR為基礎完成量子偽彩色編碼的研究工作。

第8章給出兩個量子圖像信息隱藏算法，一個是量子LSB信息隱藏；另一個是基於莫爾條紋的信息隱藏。LSB在經典圖像信息隱藏中是一個重要的算法，筆者將其移植到量子計算機中，給出兩個LSB量子算法，包括一般算法和分塊算法，無論哪種算法都是盲提取的。莫爾效應指的是具有周期結構的點紋或線紋重疊時能產生異於原點紋和線紋的波紋圖樣的現象，基於莫爾條紋的量子信息隱藏將載體圖像和訊息圖像重疊在一起，完成信息的嵌入。提取時需要原始載體的參與，屬於非盲信息隱藏。

參考文獻列出了書中引用的全部文獻，在此向所有文獻的作者表示感謝，同時也向由於疏忽而未被列出的作者表示歉意。

國家自然科學基金項目（61502016）、北京工業大學京華人才項目（2014JHL06）和北京交通大學中央高校基本科研業務費項目（2015JBM027）為本書的出版提供了資金支持。

感謝北京工業大學段立娟教授對本書的出版給予的支持和幫助。還感謝王健博士等本領域學者以及研究生吳文亞、王珞、趙娜、慕悅等為本書提供相關素材。

量子圖像處理的研究剛剛起步，是一個發展迅速的領域，要對其進行系統的總結和評述，對於筆者來說是十分困難的任務，本書只能看作是筆者在這一方向上的一種努力和嘗試，不妥之處在所難免，誠懇地歡迎讀者批評指正。

姜楠2015年12月

目錄

第1章緒論

1.1研究意義

1.2量子圖像處理的產生與發展

1.3本書組織結構

第2章量子計算基礎知識

2.1量子計算和量子計算機

2.1.1量子態及其疊加

2.1.2量子態的時間演化及其么正性

2.1.3糾纏

2.1.4量子不可克隆定理

2.2研究量子計算機的原因

2.3量子邏輯門

2.3.1一位門

2.3.2二位門

2.3.3多位門

2.3.4量子計算複雜性

2.4本章小結

第3章量子圖像處理研究進展

3.1概述

3.2量子圖像表示

3.2.1Qubit Lattice

3.2.2Real Ket

3.2.3Entangled Image

3.2.4FRQI

3.2.5NEQR

3.2.6NAQSS

3.2.7QSMC&QSNC

3.2.8QUALPI

3.3量子圖像處理算法

3.3.1幾何變換

3.3.2色彩處理

3.3.3圖像分割

3.3.4特徵提取

3.3.5圖像置亂

3.3.6圖像加密

3.3.7信息隱藏和數字水印

3.4本章小結

第4章量子圖像表示

4.1INEQR

4.2GQIR

4.2.1GQIR表示

4.2.2圖像製備

4.3本章小結

第5章量子圖像置亂

5.1量子Arnold/Fibonacci置亂

5.1.1經典Arnold/Fibonacci置亂原理

5.1.2量子加法器