CN103676596B - 一种基于全息术的图像分区加密系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于全息术的图像分区加密系统及方法。所述系统包括激光器，第一、第二和第三反射镜，扩束准直系统，分束器，二分之一波片，四分之一波片，空间光调制器，第一和第二随机相位板，高速图像采集设备，计算机。本发明利用孔径扫描将待加密明文信息分割为若干个子区域的物信息，不同子区域的物信息经随机相位调制后的光束作为物光。引入随机相位调制的参考光与经过每个子区域物信息调制的光波进行干涉生成一系列加密的子全息图，实现明文信息的加密工作；再利用数字处理的办法对每个加密后的子全息图进行解密，分别获得各子区域的明文信息，将若干子区域叠加合成恢复出整幅明文信息。本发明所述方法可以大大提高加密信息的保密程度。

Description

一种基于全息术的图像分区加密系统及方法

技术领域

本发明涉及全息术和光学图像加密技术，具体涉及一种基于全息术的图像分区加密系统及方法。

背景技术

随着信息高速公路的建设和计算机科学与技术的发展，在追求信息快速传递的过程中保证信息安全的重要性逐渐突出。由于光学信息处理的并行性、快速性以及能够提供多种加密维数的优势，运用光学方法对图像进行加密一直是图像加密技术的一个重要研究方面。

自Philippe Refregier和Bahram Javidi提出利用双随机相位板对图像进行加密后，光学图像加密技术得到广泛关注与快速发展。但由于获得的加密图像透过率函数通常为复函数，不便于打印与传输。针对这些缺点，Takanori Nomura和Bahrain Javidi提出利用JTC(Joint Transform Correlator)系统进行光学图像加密。但是上述这类基于光学信息处理的单通道图像加密技术在解密过程中，获得密钥（随机相位板的复共轭）存在困难，并且复函数密钥本身也不利于传输，至今还鲜有实验结果报道。Enrique Tajahuerce首先提出了利用全息技术进行光学图像加密，利用全息技术的特点对图像进行加密，并且加密后的全息图为实函数可以直接用于传输。

在目前的光学图像加密系统中，虽然在加密技术上各有不同，不过都是对整幅明文信息进行加密和传输，这样就使得明文保密程度受到一定限制，一旦密钥泄露，明文信息将轻易被解密出来。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种基于全息术的图像分区加密系统及方法，利用孔径扫描将明文分割后再对每个分割后的图像进行加密，提高明文的保密程度。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

本发明是利用孔径扫描将待加密明文信息分割为若干个子区域的物信息，不同子区域的物信息经随机相位调制后的光束作为物光。引入随机相位调制的参考光与经过每个子区域物信息调制的光波进行干涉生成一系列子全息图，实现明文信息的分区加密；解密过程首先获得密钥，每个加密后的子全息图与所得密钥相除得到解密后的子全息图，再利用菲涅耳衍射数值再现算法对各解密后的子全息图进行重建分别获得各子区域的明文信息，将若干子区域叠加合成恢复出整幅明文信息。

一种基于全息术的图像分区加密系统，包括：激光器，第一、第二和第三反射镜，扩束准直系统，分束器，二分之一波片，四分之一波片，空间光调制器，第一和第二随机相位板，高速图像采集设备，计算机。

激光器发出的光经过第一反射镜反射后，依次经过扩束系统和准直透镜后成为平行光，通过分束器分束后分成两束光波：一束依次经过第三反射镜、第一随机相位板，在经过随机相位板后平行波面将发生畸变，畸变的波面经待加密明文至空间光调制器，空间光调制器在计算机控制下加载光孔信息，对明文信息进行分割，形成全息记录的物光；另一束依次经过二分之一波片、四分之一波片，平行波面将根据二分之一波片和四分之一波片快慢轴位置的不同产生0、π/2、π和3π/2的相位延迟，再经过第二反射镜和第二随机相位板，相位延迟后的平行波面将发生畸变，成为全息记录的参考光。最后通过分束器合束后被高速图像采集设备所记录。

所述空间光调制器为振幅型透射式空间光调制器，与计算机相连，在计算机控制下加载光孔信息，对明文信息进行分割。

所述高速图像采集设备是以CCD或者CMOS为图像传感器的相机探测器。

所述第一随机相位板和第二随机位相板互不相关。所述第一随机相位板的大小能将明文信息全部覆盖。

利用所述图像加密系统对图像进行加密与解密的方法包括以下步骤：

步骤1，对图像进行分割并加密。

步骤1.1，在所述图像加密系统中的一路上依次紧贴放置随机相位板、待加密明文和空间光调制器，并将这一路作为物光路。

步骤1.2，在所述图像加密系统中的另一路上放置另一块随机相位板，将这一路作为参考光路。

步骤1.3，通过计算机在空间光调制器上加载光孔信息，使只有在小孔区域内的明文能够继续传播，将明文信息分割为若干子区域。

步骤1.4，在参考光路中放置二分之一波片和四分之一波片，分别产生0、π/2、π和3π/2的相位延迟，分别记录带有不同相移的4幅全息图。

步骤1.5，利用四步相移方法获得复值全息图，完成信息的加密。

步骤1.6，移动空间光调制器上的小孔位置，对明文信息进行扫描。

步骤1.7，将分割后的明文信息分别保存在加密后的复值全息图中。

步骤2，生成密钥。

步骤2.1，将物光路上的随机相位板、待加密明文和空间光调制器都移出光路，并且保持参考光路不变。

步骤2.2，调节参考光路上二分之一波片和四分之一波片，分别产生0、π/2、π和3π/2的相位延迟，分别记录相移后的全息图。

步骤2.3，利用四步相移技术获得密钥的复值全息图。

步骤3，进行数字解密。

步骤3.1，将每张加密后的复值全息图分别和密钥的复值全息图相除，将得到的全息图进行再现，恢复出被孔径分割的明文信息。

步骤3.2，将恢复出来的部分明文信息进行叠加，获得最终的整幅明文信息。

本发明的有益效果：采用本发明所述的技术，可以在计算机的控制下基于空间光调制器上加载适当的孔径对明文信息进行扫描，分割为若干子区域，对不同子区域生成全息图实现整幅信息的加密，提高了加密信息的保密程度。

附图说明

图1为本发明所涉及的系统光路图；

图2为密钥生成光路图；

图3为待加密明文图像；

图4为加密全息图；

图5为解密后部分明文图像；

图6为合成整幅明文图像。

图1、2中：1—激光器，2—第一反射镜，—3扩束系统，4—准直透镜，5—分束器，6—二分之一波片，7—四分之一波片，8—第二反射镜，9—第三反射镜，10—第一随机相位板，11—待加密明文，12—空间光调制器，13—第二随机相位板，14—分束器，15—高速图像采集设备，16—计算机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

基于全息术的图像加密系统如图1所示，包括：激光器1，第一反射镜2，扩束系统3，准直透镜4，分束器5，二分之一波片6，四分之一波片7，第二反射镜8，第三反射镜9，第一随机相位板10，待加密明文11，空间光调制器12，第二随机相位板13，分束器14，高速图像采集设备15，计算机16。

激光器1发出的光经过第一反射镜2反射后，依次经过扩束系统3和准直透镜4后成为平行光，通过分束器5分束后分成两束光波：一束经第三反射镜9反射后至第一随机相位板10，经过随机相位板10后平行波面发生畸变，畸变的波面经待加密明文11至空间光调制器12，空间光调制器12在计算机16控制下加载光孔信息，对明文信息进行分割，形成全息记录的物光；另一束依次经过二分之一波片6、四分之一波片7，平行波面将根据二分之一波片6和四分之一波片7快慢轴位置的不同产生0、π/2、π和3π/2的相位延迟，再经过第二反射镜8和第二随机相位板13，相位延迟后的平行波面将发生畸变，成为全息记录的参考光。最后通过分束器14合束后被高速图像采集设备15所记录。

应用本发明所述系统进行加密解密的方法包括以下内容：

1.加密。

（1）设置物光路：按照图1所示的结构依次紧贴放置第一随机相位板10、待加密明文11和空间光调制器12。为了保证加密效果，第一随机相位板10能够覆盖住待加密明文11上的全部信息。

（2）设置参考光路：按照图1放置第二随机相位板13。

（3）通过计算机16在空间光调制器12上加载光孔信息，光孔大小和光孔扫描间隔可以根据保密程度的要求进行调节，不过光孔必须对全部明文进行扫描，从而保证明文信息不会丢失。

（4）在参考光路中放置二分之一波片6和四分之一波片7，在光孔扫描的每一个位置，通过调节二分之一波片6和四分之一波片7的快慢轴使得在参考光光路中产生0、π/2、π和3π/2的相位延迟，利用高速图像采集设备15记录这4张全息图。

（5）利用四步相移方法获得光孔在每一个扫描位置的复值全息图，作为最后的加密图像，从而实现明文的分割与加密。

（6）移动空间光调制器12上的小孔位置，对明文信息的扫描。

（7）将分割后的明文信息分别保存在加密后的复值全息图中。

图3为一待加密明文图像，经过加密后生成图4所示的加密图像，从图4中可以看出，待加密明文已经变成稳定白噪声，无法从图中获得明文信息，说明该发明实现了加密工作。

2.生成密钥

（1）将物光路中的第一随机相位板10、待加密明文11和空间光调制器12都移出光路，并且保持参考光路不变。密钥生成光路图如图2所示。

（2）调节二分之一波片6和四分之一波片7的快慢轴，在参考光光路中产生0、π/2、π和3π/2的相位延迟，利用高速图像采集设备15保存这4张全息图。

（3）利用四步相移技术获得密钥的复值全息图。

3.解密

（1）将每一张加密的复值全息图与密钥的复值全息图分别相除，恢复透过光孔的一部分明文信息。图5是加密图像经过解密后恢复出来的明文子区域，从图中可以看出，解密过程实现了明文部分信息的恢复，并且如果不能获得全部加密全息图就不能得到整幅明文信息，提高了图像加密的保密程度。

（2）将这每一部分的明文信息叠加后能够恢复出最终的明文信息。图6是解密后所有加密图像叠加合成的整幅明文图像。从图中可以看出，解密后明文信息完整并且有实现了高保真。

Claims (5)

1.一种基于全息术的图像分区加密系统，包括：激光器(1)、第一反射镜(2)、扩束系统(3)、准直透镜(4)、分束器(5)、第二反射镜(8)、第三反射镜(9)、第一随机相位板(10)、待加密明文(11)、第二随机相位板(13)、分束器(14)、高速图像采集设备(15)、计算机(16)；其特征在于，还包括：二分之一波片(6)、四分之一波片(7)、空间光调制器(12)；

设置物光路：依次紧贴放置第一随机相位板(10)、待加密明文(11)和空间光调制器(12)；为了保证加密效果，第一随机相位板(10)能够覆盖住待加密明文(11)上的全部信息；

激光器(1)发出的光经过第一反射镜(2)反射后，依次经过扩束系统(3)和准直透镜(4)后成为平行光，通过分束器(5)分束后分成两束光波：一束经第三反射镜(9)反射后至第一随机相位板(10)，经过第一随机相位板(10)后平行波面发生畸变，畸变的波面经待加密明文(11)至空间光调制器(12)，空间光调制器(12)在计算机(16)控制下加载光孔信息，所加载的光孔信息使只有在小孔区域内的明文能够继续传播，对明文信息进行分割，形成全息记录的物光；另一束依次经过二分之一波片(6)、四分之一波片(7)，平行波面将根据二分之一波片(6)和四分之一波片(7)快慢轴位置的不同产生0、π/2、π和3π/2的相位延迟，再经过第二反射镜(8)和第二随机相位板(13)，相位延迟后的平行波面将发生畸变，成为全息记录的参考光；最后通过分束器(14)合束后由高速图像采集设备(15)记录。

2.根据权利要求1所述的一种基于全息术的图像分区加密系统，其特征在于，所述空间光调制器(12)为振幅型透射式空间光调制器。

3.根据权利要求1所述的一种基于全息术的图像分区加密系统，所述高速图像采集设备(15)是以CCD或者CMOS为图像传感器的相机探测器。

4.根据权利要求1所述的一种基于全息术的图像分区加密系统，其特征在于，所述第一随机相位板和第二随机相位板互不相关；所述第一随机相位板的大小能将明文信息全部覆盖。

5.一种基于全息术的图像分区加密方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，对图像进行分割并加密；

步骤1.1，在根据权利要求1所述的基于全息术的图像分区加密系统中的一路上依次紧贴放置第一随机相位板(10)、待加密明文(11)和空间光调制器(12)，并将这一路作为物光路；

步骤1.2，在根据权利要求1所述的基于全息术的图像分区加密系统中的另一路上放置第二随机相位板(13)，将这一路作为参考光路；

步骤1.3，通过计算机(16)在空间光调制器(12)上加载光孔信息，使只有在小孔区域内的明文能够继续传播，将明文信息分割为若干子区域；

步骤1.4，在参考光路中放置二分之一波片(6)和四分之一波片(7)，分别产生0、π/2、π和3π/2的相位延迟，利用高速图像采集设备(15)保存这四张全息图；

步骤1.5，利用四步相移方法获得复值全息图，完成信息的加密；

步骤1.6，移动空间光调制器(12)上的小孔位置，对明文信息进行扫描；

步骤1.7，将分割后的明文信息分别保存在加密后的复值全息图中；

步骤2，生成密钥；

步骤2.1，将物光路上的第一随机相位板(10)、待加密明文(11)和空间光调制器(12)都移出光路，并且保持参考光路不变；

步骤2.2，调节参考光路上二分之一波片(6)和四分之一波片(7)，分别产生0、π/2、π和3π/2的相位延迟，利用高速图像采集设备(15)保存这4张全息图；

步骤2.3，利用四步相移方法获得密钥的复值全息图；

步骤3，进行数字解密；

步骤3.1，将每张加密后的复值全息图分别和密钥的复值全息图相除，将得到的全息图进行再现，恢复出被孔径分割的明文信息；

步骤3.2，将恢复出来的部分明文信息进行叠加，获得最终的整幅明文信息。