CN104486076A - 无需相位探测的双随机相位光学加密系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无相位探测的双随机相位光学加密方法。它在待加密的图像和探测器之间插入两个双随机相位版。加密时，用激光照射待加密图像，携带明文的激光光波受到两个随机相位板的调制，用光电探测器记录下被调制光波的强度图样。该强度图样即为明文所对应的密文。解密时，用本发明所提出的解密算法在计算机上进行解密，即可获得高质量的解密图像。本发明整个加密过程中，无需进行复杂的干涉记录过程来进行相位探测，仅需要记录一幅强度图样就可完成加密过程。本发明与现存光学加密系统相比，有系统简单，记录数据量少，安全性强，成本低廉等诸多优点。此外，本发明可移植性好，同时适用于傅里叶光学加密，菲涅尔域光学加密。

Description

无需相位探测的双随机相位光学加密系统

技术领域

本发明涉及一种光学加密技术，具体涉及一种无需相位探测的双随机相位光学加密系统。

背景技术

1995年Refregier和Javidi提出了双随机相位光学加密系统预示着光学加密技术的诞生。参见(Opt.Lett.20(7)，767-769(1995))。该加密方法首次将光引入信息加密当中，由于光有着频率高，信息容量大、并行性等诸多优点，光学加密引起了世界各国研究者的广泛兴趣。然而和任何加密技术一样，只有抗各种用密码分析攻击的加密方法才能称之为安全的加密方法。目前针对双随机相位技术，各种攻击方法相继被提出，如唯密文攻击、已知明文攻击、选择明文攻击、选择密文攻击策略。参见(Opt.Lett.31(8)，1044-1046(2006)；Opt.Lett.30(13)，1644-1646(2005)；Opt.Lett.31(22)，3261-3263(2006)；Acta Physica Sinica56，2629-2636(2007)(In Chinese))。这些方法的提出显示了双随机相位有很大安全隐患。

为了解决双随机相位系统的安全性问题，各种改进型的光学加密系统相继被提出。目前关于改进型的双随机相位光学加密系统，大致可分为两类：一类是基于干涉的改进型双随机相位系统，如菲涅尔域的双随机相位加密系统，分数傅里叶域的双随机加密系统。一类是基于相干衍射成像的改进型加密系统，如结构光照明加密系统，以及基于叠层成像的加密系统。参见(Opt.Commun.285，2044-2047(2012)；Opt.Lett.38(9)，1425-1427(2013))基于干涉的改进型双随机相位加密系统与传统的加密系统一样，都需要复杂的干涉装置。近年研究表明，改进型的双随机相位系统也存在较大的安全漏洞。基于相干衍射成像的加密系统，安全性较高，但是一般一幅明文图像对应多个衍射密文图像，所以有通讯过程中密文传输量太大的缺点。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有光学加密系统的不足，该发明与目前基于干涉的双随机相位加密系统和基于相干衍射成像的双随机加密系统相比，结果最为简单。且融合了以上两种方法的优势，不需要相位探测，仅需要一幅衍射密文图样就可完成加密和解密过程。

本发明的目的可通过以下技术措施实现：

加密系统主要是基于4f系统之上的。4f系统是由两个焦距完全相同的透镜组成。明文放置在4f系统的输入面。两个随机秘钥版M₁和M₂分别放置在4f系统的输入面和频谱面。探测器放置在输出面上。加密时，用激光照射明文，携带明文信息的激光束经过两个随机秘钥版M₁和M₂的调制，衍射到达输出面并用CCD直接记录下来。CCD探测到的衍射图样即为相应的密文。

本发明解密算法可用如下相位恢复算法实现：

(1)赋初值，猜测明文图像为一个ones矩阵f_i。

(2)计算输出面上的复振幅分布为：

D_i＝IFT{FT{f_iexp(jM₁)}·exp(jM₂)}

(3)用探测器拍摄到的密文图像替换计算得到的输出面的复振幅D_i：

$C_i=\sqrt{I}\·\left(\right|D_i|/D_i)$

(4)将更新的输出面复振幅分布C_i逆衍射到输入面：

ψ_i＝IFT{FT{C_i}·exp(-jM₂)}

(5)令

f_i+1＝|ψ_i|

(6)重复步骤(2)-(5)直到D_i和I_i的相关系数达到阈值。迭代得到的f_i+1即为输出图像

本发明与现有的发明相比存在以下优点：

(1)本发明的加密方法，不需要干涉装置。成本低，可靠性高。

(2)本发明一幅明文仅仅对应一幅实值衍射密文图样。需要传输的密文数据量低。

(3)本发明安全性高。抗目前比较主流的攻击方法，如相位恢复攻击方法以及冲击相应函数的攻击方法。

(4)本发明不需要任何先验信息来保证相位恢复算法收敛。

发明所公开不需相位探测双随机相位光学加密系统，可适用于安全性要求高，加密速度要求高的加密应用场合。

附图说明

图1a是本发明的傅里叶域为实例的无需相位探测的双随机相位光学加密结构图。

图1b是本发明的菲涅尔域为实例的无需相位探测的双随机相位光学加密结构图。

图2a是傅里叶域实例中数值模拟实验所用的待加密明文。

图2b是加密用的相位秘钥版1，秘钥版的相位分布为[0，2π]。

图2c是相位秘钥版2，相位分布为[0，2π]。

图2d为加密得到的密文图像。

图2e为解密图像。

图3a是傅里叶域实例中数值模拟实验所用的待加密明文。

图3b是加密用的相位秘钥版1，秘钥版的相位分布为[0，2π]。

图3c是相位秘钥版2，相位分布为[0，2π]。

图3d为加密得到的密文图像。

图3e为解密图像。

图4a是傅里叶域实例中数值模拟实验中相位恢复攻击方法的攻击结果。

图4b是傅里叶域实例中数值模拟实验中利用冲击响应函数方法的攻击结果。

图5a是菲涅尔域实例中数值模拟实验中利用相位恢复攻击方法的攻击结果。

图5b是菲涅尔域实例中数值模拟实验中利用冲击响应函数方法的攻击结果。

图6a是密文被0.01随机噪声污染的傅里叶域实例中数值模拟实验的解密结果。

图6b是密文被0.01随机噪声污染的菲涅尔域实例中数值模拟实验的解密结果。

图7a是密文被剪切掉4％的傅里叶域实例中数值模拟实验的解密结果。

图7b是密文被剪切掉4％的的菲涅尔域实例中数值模拟实验的解密结果。

其中，1 激光器、2 准直扩束系统、3 明文、4 随机秘钥相位版一、5 随机秘钥相位版二、6 探测器、7 计算机、8 透镜。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，下面结合附图与实施例对分发明做进一步的描述。

图1a是本发明的加密方法在傅里叶域典型实施方法的光路结构图。该结构包括激光器1、准直扩束系统2、明文3(通常加载在空间光调制器上)、随机秘钥相位版4、随机秘钥版5、探测器6、计算机7。加密时用激光照射明文，携带明文信息的激光束经过两个随机秘钥版M₁和M₂的调制，衍射到达输出面并用CCD直接记录下来。CCD探测到的衍射图样即为相应的密文。解密时应用本发明提出的解密算法对图像进行解密。

图1b是本发明的加密方法在菲涅尔域实施方法的光路结构图。该结构包括激光器1、准直扩束系统2、明文3(通常加载在空间光调制器上)、随机秘钥相位版4、随机秘钥版5、探测器6、计算机7、随机相位秘钥版8。用上述加密装置完成对明文的加密。解密时应用本发明的相位恢复算法对图像进行解密。

图2是针对上述傅里叶域实例所进行的计算机数值模拟实验中使用的初始设置数据。它们均为256×256像素。实验中所选用的激光波长为632.8纳米。图2a是为实验中所要加密的明文。图2b和图2c为加密所用的两块双随机相位版，相位分布均为[0，2π]。图2d为本发明方法生成的实值密文。图2e为使用本发明方法设计的计算机程序所输出的密文的机密图像。迭代次数k＝200。

图3是针对上述傅里叶域实例所进行的计算机数值模拟实验中使用的初始设置数据。它们均为256×256像素。实验中所选用的激光波长为632.8纳米。图3b是为实验中所要加密的明文。图3c和图3d为加密所用的两块双随机相位版，相位分布均为[0，2π]。图3e为本发明方法生成的实值密文。图3e为使用本发明方法设计的计算机程序所输出的密文的机密图像。迭代次数k＝200。

图4a是傅里叶域实例中数值模拟实验中相位恢复攻击方法的攻击结果。图4b是傅里叶域实例中数值模拟实验中利用冲击响应函数方法的攻击结果。

图5a是菲涅尔域实例中数值模拟实验中利用相位恢复攻击方法的攻击结果。图5b是菲涅尔域实例中数值模拟实验中利用冲击响应函数方法的攻击结果。

图6a是密文被0.01随机噪声污染的傅里叶域实例中数值模拟实验的解密结果。图6b是密文被0.01随机噪声污染的菲涅尔域实例中数值模拟实验的解密结果。

图7a是密文被剪切掉4％的傅里叶域实例中数值模拟实验的解密结果。图7b是密文被剪切掉4％的的菲涅尔域实例中数值模拟实验的解密结果。

上述方法和实例都是通过无需相位探测双随机相位光学加密系统进行加密，然后利用本法明所提出的解密进行解密算法的结果。本发明的实施不局限于上述实施方案。只要是通过无需相位探测的双随机相位光学加密系统进行加密，并用上述算法进行解密的方法、装置和系统，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种无相位探测的双随机相位光学加密系统，其加密和解密过程包括以下两个步骤：

第一步：采用激光照射待加密明文，携带明文信息的光波分别受到两个随机相位秘钥版进行调制，用CCD直接记录下经过两个秘钥版调制的光波强度信息。记录下的光波强度信息即为生成的密文。

第二步，使用无需探测相位的双随机相位光学加密系统的解密算法和相应的秘钥对密文进行解密，解密出密文对应的明文信息。

2.如权利要求1中所使用的无需探测相位的双随机相位光学加密系统，其特征在于，可以用不同波长激光器和LED等部分相干光源作为加密系统的照射光源。

3.如权利要求1中所使用的无需探测相位的双随机相位光学加密系统，其特征在于，无需相位探测的干涉装置，用CCD直接记录下经过两个秘钥版调制的光波强度信息。

4.如权利要求1中所使用的无需探测相位的双随机相位光学加密系统，其特征在于，记录的密文只是一幅经过两个秘钥版调制的光波强度信息。

5.如权利要求1中所使用的无需探测相位的双随机相位光学加密系统，其特征在于，无需探测相位的双随机相位光学加密系统的解密算法，在迭代中是通过约束明文为纯实值来保证解密算法收敛的。

6.如权利要求1中所使用的无需探测相位的双随机相位光学加密系统，其特征在于，该加密算法适合于菲涅尔域的光学加密系统、傅里叶域的光学加密系统、分数傅里叶域的光学加密系统