CN105391550A - 一种彩色间接视觉密码方案 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种彩色间接视觉密码方案。基于视觉密码学和色光相加原理，结合彩色和间接的视觉密码方案，根据视觉密码学方法产生加密子图像，使用位相恢复算法计算子图位相信息，并据其设计和加工制作对应子图的二元衍射光学元件作为密文文本。使用多色激光照射密文文本后衍射来解密位相，利用分光棱镜耦合衍射得到的图像，最后接收图像并由人眼视觉系统解密获取信息。本发明使用二元光学和位相信息间接加密，引入多色光源经衍射作用解密，因此具有极高的隐蔽性和安全性，光路系统解密便捷，图像贴近于自然色彩，具有很高的可实用性。可适用于隐蔽性、安全性和操作便捷要求高，应用可集成性好的信息加密领域。

Description

一种彩色间接视觉密码方案

技术领域

本发明涉及一种视觉密码方案，具体涉及一种在视觉密码学和间接视觉密码方案的基础上，使用不同颜色(波长)的光源，通过二元衍射光学元件实现的一种彩色间接视觉密码加密技术。

背景技术

基于人眼视觉系统对相关性的识别能力和随机网格对图像的加密方法，Moni.Naor和Adi.Shamir于1994年提出了视觉密码学，并详细的论证了其理论依据和具体实现方法，参见(Eurocrypt1994(1)：1-12，1994)。视觉密码学是一种以图像为媒介的信息加密技术，该技术通过特殊的算法规则，将携带信息的图像编码为若干个隐藏信息的伪随机子图像，只要将特定数量子图精确对准叠加，不依靠任何密码学相关知识和计算，即可用人眼解密获取原始图像的信息。

作为一个重要研究方向，彩色视觉密码方案发展迅速。2004年，Hir.Yamamoto等人提出了一种使用解密掩模板在特殊位置观察解密，具有较高安全性的彩色视觉密码方案，参见(Opt.Expr.7(12)：1258-1270(2004))。方案中加密图像像素扩展为2*3子像素，设计加密图像和解密掩模解码方式，并设置特殊的视觉解密观察点，实现了彩色视觉密码方案的同时，提高了加密方法的安全性。2012年，Jac.Maehizaud和Thi.Foumel提出一种基于色彩匹配的彩色视觉密码方案，参见(Opt.Expr.20(20)：2847-2859(2012))。使用基色混色原理，根据加密图像给加密子图像每个像素分配基色，解密时叠加混色解密原始图像，该方案无需像素扩展，且通过解密的颜色可以认证解密文本，具有较高的安全性和实用性。另外，许多其他彩色视觉密码方案也相继被提出，参见(Des.Cod.Cry.11：179-196(1996)；Des.Cod.Cry.20：325-336(2000)；Pat.Rec.36：1619-1629(2003)；Pat.Rec.39：866-880(2006)；Theo.Com.Sci.374：261-276(2007))。这些方案对彩色视觉密码方案的发展意义重大。

本实验小组曾于2015年1月提出一种光电方法实现的间接视觉密码方案，并申请了发明专利，参见(申请公布号：CN104717068A)。方案在视觉密码学加密的基础上使用位相恢复算法，将子图转换为伪随机的纯位相图像，解密过程基于特殊设计的解密光路，使用光电方式，利用衍射作用将位相信息恢复出子图像，并通过解密光路实现实时、动态的解密。该方案通过利用图像位相信息，具有很强的鲁棒性，同时大大提高了加密的隐蔽性和安全性，系统化的解密方式也为实际应用提供了方便。

基于色光混合的原理，红、绿、蓝三种色光相加混合可以得到自然界中的其他颜色。红色与绿色相加得到黄色，红色和蓝色相加得到紫色，绿色加蓝色将得到青色，红色加绿色加蓝色得到白色，通过调整各种颜色的比率可以调制需要的各种颜色。

作为视觉密码学的延伸研究，彩色和间接的视觉密码方案都具有解密不依靠密码计算和密码知识，便于实际应用的特点。除此以外，由于自然本身是彩色的，因此彩色视觉密码方案相比灰度视觉密码学更加贴近自然景象，隐蔽性能更好，同时应用的过程中也更加契合实际，应用更加方便和广泛。而间接视觉密码方案中由于纯位相信息图像具有伪随机性，对光强检测敏感，方案的鲁棒性和隐蔽性都显著增强，从而安全性也得到了大幅度提升。鉴于彩色和间接的视觉密码方案都具有鲜明的特色和优势，若能将两者结合起来，必能得到一个安全性能更高、实际适用性更好的视觉密码方案。

发明内容

本发明的目的是结合彩色和间接视觉密码方案中各自的优势，同时避免他们当前各自存在的缺陷，得到一种隐蔽性优秀、安全性高、同时便于实际应用的彩色图像加密方案。本发明中的方案利用间接视觉密码方案采用位相信息加密的加密方式，提高方案的隐蔽性，同时采用二元衍射光学元件解密，大大提高了方案的安全性。另外方案中使用彩色的视觉密码方案，色彩上更贴近于自然，相对于灰度图像加密而言，具有更高的安全性，对实际应用也有巨大的促进作用。

本方案中加密采用位相信息间接加密与二元光学元件相结合的方式，最后产生的密文文本是在石英玻璃上微刻蚀的二元衍射光学元件，人眼看外观上与普通石英玻璃无差别，具有非常高的隐蔽性。解密的过程中，通过控制照射到密文文本上的光源来加载不同颜色的光，衍射解密后将得到不同颜色的恢复子图像，最后经过子图像的叠加实现颜色匹配和混合，得到彩色的解密图像，通过人眼视觉系统可以分辨解密。

本发明是建立在位相信息加密技术、色光混合技术和二元光学元件加工技术基础上，具体可以通过以下技术措施实现：

(1)将待加密信息(X)编码为N个加密子图(A1，A2，...，An)，当其中K个子图叠加后可以通过人眼获取解密信息(X)

(2)使用位相恢复算法计算子图制作成对应的子图的纯位相图像(B1，B2，...，Bn)

(3)通过二元衍射光学元件的加工设计方法，将纯位相信息图像对应设计为待加工的二元衍射光学元件(C1，C2，...，Cn)

(4)使用二元光学元件方法，经过掩膜板制作、光刻的加工，制作出设计好的二元衍射光学元件(D1，D2，...，Dn)，这些元件即为本方案加密的密文文本。

(5)搭建具体的光学机密光路，让不同颜色(波长)的激光经过扩束后分别照射到二元衍射光学元件上，再经过傅里叶透镜，可以在适当的位置上接收到衍射产生的对应加密子图(A1，A2，...，An)的恢复子图像(E1，E2，...，En)

(6)使用光学元件将得到的恢复子图像(E1，E2，...，En)进行耦合叠加，经过对准调节以后，得到携带信息(X)的彩色解密图像，通过人眼获取解密信息(X)。

本发明与现有技术相比具有以下优势：

(1)本发明结合彩色的和间接的视觉密码方案，兼具两者的优势，拥有非常高的隐蔽性、安全性，贴合自然环境色彩，具有优秀的实际可应用性。

(2)本发明的加密采用位相信息加密结合二元光学元件的方式，密文文本很难被直接识别和分辨，隐蔽性得到了空前的提高，同时更加方便与实际应用。

(3)本发明解密的系统光路简单，且对照射光线的本身性能和位置要求低，系统鲁棒性好，可调整的空间较大，解密快捷方便，可集成性优秀。

(4)本发明与现有的视觉密码方案相比，结合了多种加密方案和加工技术的优势，操作简单、可行，具有优秀的实际可应用性。

本发明所公开的一种彩色间接视觉密码方案，可适用于隐蔽性和安全性要求高，要求解密操作简单便捷、系统可集成性高的信息加密应用领域。

附图说明

图1是本发明提出的一种彩色的间接视觉密码方案中，对方案提供的加密技术所产生的二元衍射光学元件形式的密文文本实现解密的光路结构图。

其中，1.波长632nm红色激光器、2.光束衰减器、3.准直扩束系统、4.傅里叶透镜、5.二元衍射光学元件、6.波长532nm绿色激光器、7.光束衰减器、8.反射镜、9.准直扩束系统、10.傅里叶透镜、11.二元衍射光学元件、12.分光棱镜、13.CCD接收单元。

图2a是将携带加密信息“OK”的图像按照“(2，2)-视觉密码方案”规则加密编码得到的第一幅子图像。((2，2)即有两个信息分享者，两个分享者参与时可解密)

图2b是将携带加密信息“OK”的图像按照“(2，2)-视觉密码方案”规则加密编码得到的第二幅子图像。((2，2)即有两个信息分享者，两个分享者参与时可解密)

图3是按当前视觉密码方案的规则加密得到的两个加密子图(如图2a、2b)打印到透明片上并精确叠加所得的解密图像，该图像经过人眼识别可以获取加密信息“OK”。

图4a是第一幅子图像(图2a)通过位相恢复算法计算得到的对应子图的纯位相图。

图4b是第二幅子图像(图2b)通过位相恢复算法计算得到的对应子图的纯位相图。

图5a是对应于第一幅子图像(图2a)和其对应子图的纯位相图(图4a)，按照二元光学元件设计方法设计并灰度化后得到的二元衍射光学元件表面图样，其中图像的灰度深浅代表了加工的刻蚀台阶深度。(原图为彩色，不同颜色代表加工的刻蚀深度)

图5b是对应于第二幅子图像(图2b)和其对应子图的纯位相图(图4b)，按照二元光学元件设计方法设计并灰度化后得到的二元衍射光学元件表面图样，其中图像的灰度深浅代表了加工的刻蚀台阶深度。(原图为彩色，不同颜色代表加工的刻蚀深度)

图6a是根据设计出的第一幅二元衍射光学元件表面图样(图5a)，经过掩膜板设计、光刻加工制造出的第一个二元衍射光学元件放置在打印的英文文档上的图像，外观上与普通石英玻璃相似。

图6b是根据设计出的第二幅二元衍射光学元件表面图样(图5b)，经过掩膜板设计、光刻加工制造出的第二个二元衍射光学元件放置在打印的英文文档上的图像，外观上与普通石英玻璃相似。

图7a是第一个二元衍射光学元件(如图6a)经过如图1所示的解密光路系统解密以后用CCD接收单元合适的位置上接收到并进行灰度化后的图像，原图像为彩色，其中亮的部分有激光照射为红色，暗的部分无光照为黑色。

图7b是第二个二元衍射光学元件(如图6b)经过如图1所示的解密光路系统解密以后用CCD接收单元合适的位置上接收到并进行灰度化后的图像，原图像为彩色，其中亮的部分有激光照射为绿色，暗的部分无光照为黑色。

图8是将两个二元衍射光学元件(如图6a、6b)按照图1所示的解密光路系统进行解密，在经过分光棱镜完成耦合实现恢复的子图像叠加以后，使用CCD接收单元在合适位置接接收并直接进行灰度化以后的图像，其原图为具有红、绿、黄、黑四种颜色的彩色图像。

图9是将CCD接收到的解密图像(图8的原图)对不同颜色进行不同灰度着色以后得到的图像，其中颜色1表示红色，仅红色激光照射区域，颜色2表示绿色，仅绿色激光照射区域，颜色3表示黄色，红色和黄色激光共同照射区域，颜色4表示黑色，无激光照射的区域。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的具体内容是实施过程，以下将结合说明书附图，对使用两个子图、引入两种基本颜色完成彩色解密的具体操作过程做详细说明。由于本发明所结合的间接和彩色的视觉密码方案都发源于视觉密码学，均具有可以由“(2，2)-视觉密码方案”推广到“(k，n)-视觉密码方案”的特性，因此本发明提出的方案也具有该特性。为了方便说明，我们仅对“(2，2)”彩色的间接视觉密码方案进行说明。(即加密产生2个子图，2个子图参与可以解密)

图1是本发明提出的一种彩色的间接视觉密码方案中，对方案提供的加密技术所产生的二元衍射光学元件形式的密文文本实现解密的光路结构图。

其中，1.波长632nm红色激光器、2.光束衰减器、3.准直扩束系统、4.傅里叶透镜、5.二元衍射光学元件、6.波长532nm绿色激光器、7.光束衰减器、8.反射镜、9.准直扩束系统、10.傅里叶透镜、11.二元衍射光学元件、12.分光棱镜、13.CCD接收单元。我们需要搭建光路系统，并进行初步校调。

首先确定待加密信息为字母“OK”，将待加密字母“OK”写下来并生一张图像；然后按照视觉密码学加密的方法使用软件编码产生两个隐藏信息的子图像，如图2a、2b所示；(按照规则编码的两个子图像叠加以后得到的图像如图3所示，可直接用人眼视觉系统解密获取信息“OK”，该图像为本发明所提方案的解密结果参照。)其次使用数字软件根据位相恢复算法分别计算两个子图像的位相信息，并得到位相信息图像如图4a、4b所示，分别对应于子图2a、2b；接下来，通过二元衍射光学元件的加工设计方法，根据得到的两子图(如图2a、2b)和其对应位相图像(如图4a、4b)，设计衍射目标为子图图像的对应二元衍射光学元件，设计得到的元件表面图样如图5a、5b所示；最后按照二元光学元件的加工方法，经过掩膜板制作、光刻加工，可加工得到二元衍射光学元件，如图6a、6b中所示，这两个元件即为本发明提供加密方法产生的密文文本，其外观与普通石英玻璃相同。

解密过程中，首先将两个密文文本(如图6a、6b所示的二元衍射光学元件)对应安装到如图1所示解密光路系统中“5”“11”指示的位置上。关闭激光器2、打开激光器1可以在CCD接收单元上得到第一个二元衍射光学元件的衍射图像，灰度化后如图7a所示，原图像为红色，是第一个子图像(如图2a)的恢复图像。关闭激光器1、打开激光器2可以在CCD接收单元上得到第二个二元衍射光学元件(密文文本)的衍射图像，灰度化后如图7b所示，原图像为绿色，是第二个子图像(如图2b)的恢复图像。同时打开两个激光器，调整分光棱镜使两个密文文本解密的恢复图像在CCD接收单元上耦合实现图像叠加，可以接收到彩色的解密图像，通过人眼视觉系统即可解密该图像获取信息“OK”，将接收图像直接灰度化以后如图8所示。

本方案提出的为一种彩色的图像加密方案，其解密图像为彩色。为了更加直观说明接收到的彩色图像效果，我们对耦合叠加后直接接收到的系统解密图像(灰度化以后如图8的所示)不同颜色以不同的灰度进行着色描述，如图9所示，颜色1表示接收图像中的红色，是仅红色激光照射区域，颜色2表示接收图像中的绿色，是仅绿色激光照射区域，颜色3表示接收图像中的黄色，是红色和黄色激光共同照射区域，颜色4表示接收图像中的黑色，是无激光照射的区域。解密结果可说明本方案能够完全实现对彩色图像的加密。

本发明提出的加密方法可以完整的应用到普通的彩色图像加密中。根据三基色混合可产生各种不同颜色的原理，普通的彩色图像可分解为红、绿、蓝三种单色的图像，他们叠加时还原彩色图像。分解的单色图像均可以通过本发明提出的加密方案进行加密，在解密时通过引入对应颜色(波长)的光源衍射解密即可还原出三种单色的分解图像，他们经过耦合叠加即可完全解密恢复出原始的彩色图像，因此本发明完全可以推广到普通彩色图像的加密中，是一种普适的彩色图像加密方案。

以上描述的实施方法和实施过程是基于彩色和间接视觉密码方案，使用本发明提供的二元衍射光学元件实现的彩色间接视觉密码加密，并通过本发明中提出的解密光路系统进行解密的结果。本发明的具体实施不限于上述的方案。只要是使用位相信息或者二元衍射器件进行间接加密，并在解密过程中通过解密光源实现的彩色视觉密码方案、装置和系统，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种彩色间接视觉密码方案，其具体过程包括以下步骤：

第一步：将携带信息的图像按照视觉密码学编码为若干携带信息的子图，并通过位相恢复算法计算出各子图的位相信息；

第二步：根据子图和位相信息设计并加工对应子图的二元衍射光学元件，该元件即为加密产生的密文文本；

第三步：搭建解密光路，使用多色激光分别照射密文文本并产生衍射图像；

第四步：调节分光棱镜，将多个衍射图像耦合到一起实现图像的叠加解密，用人眼视觉系统观察获取解密信息。

2.如权利要求1中所使用的彩色间接视觉密码方案的技术，其特征在于，使用图像的位相信息间接对图像信息进行加密，具有优秀的隐蔽性。

3.如权利要求1中所使用的彩色间接视觉密码方案的技术，其特征在于，通过二元光学元件的相关技术来实现对信息加密，将二元光学元件作为密文文本，安全性很高，应用更加方便。

4.如权利要求1中所使用的彩色间接视觉密码方案的技术，其特征在于，通过简易的光路系统，依靠二元衍射光学元件对光线的衍射作用进行解密，操作便捷，可应用性强。

5.如权利要求1、4中所使用的彩色间接视觉密码方案的技术，其特征在于，本发明中的密码方案解密过程中，基于色光相加混色，通过引入多色光源实现彩色图像的解密，可以应用于高度契合自然色彩的彩色图像中。

6.如权利要求1、2、3、4、5中所使用的彩色间接视觉密码方案的技术，其特征在于，本发明结合间接视觉密码方案和彩色视觉密码方案的技术，兼具两者的优势，同时避免了他们缺陷，具有极高的隐蔽性、安全性和实用性。