CN105809115A - 一种双通道多指纹光学加密方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双通道多指纹光学加密方法，该加密方法包括加密过程和解密过程，其中，激光束生成装置发出线偏振光，由分束器分为透射光和反射光，透射光照射到包括指纹图像的左通道加密密钥上，产生左通道调制激光；反射光照射到包括指纹图像的右通道加密密钥上，产生右通道调制激光。本发明基于人体的生物特征具有不可复制的特点，将生物特征识别技术和光学信息处理技术相结合，提出一种双通道多指纹光学加密方法，该方法具有安全性高、密钥管理和携带方便等特点，在信息安全领域将有重要的应用前景。

Description

一种双通道多指纹光学加密方法

技术领域

本发明属于光学图像加密技术领域，涉及一种光学加密方法，尤其涉及一种基于人体生物特征的指纹加密方法，即双通道多指纹光学加密方法。

背景技术

随着信息时代的来临，信息作为一种重要的资源受到越来越多的重视。但是，信息盗窃和信息泄露等问题不断出现，信息安全对国家安全、经济社会发展有着重要的影响，日益成为需要解决的突出问题。而且伴随着社会经济快速发展，加密信息或文档的信息量不断增大，海量加密信息的存储和提取也成为亟待解决的问题。

信息的加密技术是保护信息安全的有效手段，其中光学加密技术由于其高速并行性和高安全性等优点倍受人们的青睐。近年来，人们对光学图像加密技术进行了深入的研究，提出了多种光学图像加密的算法和结构。

1995年，P.Refregier提出了双随机相位编码方法，采用双透镜组成的4f系统来实现，把两块统计无关的随机相位掩模分别置于光学系统的输入平面和傅立叶平面，对原图像的空间信息和频谱信息做随机扰乱，从而白化谱密度分布，达到加密目的，这种方法具有较好的安全性和鲁棒性[P.Refregier,B.Javidi,Opticalimageencryptionbasedoninputplaneandfourierplanerandomencodind,Opt.Lett.,20(7):767-769,1995]。随后，人们提出了基于分数傅里叶变换、菲涅耳变换、梅林变换等变换的光学加密方法。但是，任意随机相位矩阵的密钥数据量很大，信息的处理速度慢，密钥的管理和使用困难。双随机相位加密系统的加密结果为复振幅分布，即包含振幅信息，又包含相位信息，这使得信息的记录十分困难。而且双随机相位编码是公开密钥，单纯利用双随机相位加密的安全性较低，易于受到攻击。

发明内容

针对现有信息加密技术存在的缺陷，本发明提供一种双通道多指纹光学加密方法，实现用户资料的高安全性加密存储和精准识别。

本发明的一个方面提供的双通道多指纹光学加密方法，包括加密过程和解密过程，其中：

加密过程包括：

——使用指纹采集器采集至少两个指纹图像，存储备用；

——激光束生成装置发出线偏振光，由分束器分为透射光和反射光，所述透射光照射到包括指纹图像和随机相位板的左通道加密密钥上，产生左通道调制激光；

——反射光照射到包括指纹图像和随机相位板的右通道加密密钥上，产生右通道调制激光；

——所述左通道调制激光和所述右通道调制激光由合束器产生两路干涉的光束，其中一路光束照射到光束扫描器上产生密钥调制的干涉图样，将所述密钥调制的干涉图样照射到目标上，目标反射或者透射出加密信号光，所述加密信号光经光电转换后输入到锁相放大器的信号通道；

——另一路光束经会聚透镜到第二光电探测器后，输入到锁相放大器的参考通道；由锁相放大器输出的信号经模数转换器转换后，输入到计算机进行存储和复数化计算，获得所述目标的加密图像；

解密过程包括：

——采用数字解密方法，分别根据左通道和右通道的指纹图像和随机相位板对应的函数计算加密系统的光学传递函数及其复数共轭，对所述复数共轭的光学传递函数进行傅里叶变换后，建立自由空间的脉冲响应函数；对加密图像的数据进行傅立叶变换，与所述自由空间的脉冲响应函数相乘，然后对所述乘积结果进行逆傅立叶变换，完成匹配滤波计算，得到解密的原始目标图像。

作为本发明的一个优选实施例，所述透射光和所述反射光均经过声光移频器和扩束准直器后照射到所述加密密钥上。

作为本发明的一个优选实施例，所述透射光和所述反射光在所述声光移频器内发生布拉格衍射。

作为本发明的一个优选实施例，所述激光束生成装置为激光器。

作为本发明的一个优选实施例，所述透射光和所述反射光经过扩束准直器后变为平面波。

作为本发明的一个优选实施例，所述合束器产生的光束，其中一路光束经傅里叶变换透镜照射到光束扫描器上。

作为本发明的一个优选实施例，所述指纹图像可以为同一人的指纹图像，也可以为不同人的指纹图像。

作为本发明的一个优选实施例，产生所述左通道加密密钥的指纹图像可以为单个指纹或者多个指纹叠加在一起，产生所述右通道加密密钥的指纹图像可以为单个指纹或者多个指纹叠加在一起。

作为本发明的一个优选实施例，所述加密信号光，由望远镜接收，经第一光电探测器的光电转换后，输入到所述锁相放大器的信号通道。

作为本发明的一个优选实施例，所述指纹图像对应的函数为F(x,y)，所述随机相位函数为exp[j2πM(x,y)]，其中M(x,y)为[0,1]的随机数。

作为本发明的一个优选实施例，建立所述脉冲响应函数前需对所述复数共轭的光学传递函数进行傅里叶变换。

作为本发明的一个优选实施例，所述光束经过透镜照射到所述光束扫描器上，优选地，所述光束经过傅里叶变换透镜照射到所述光束扫描器上。

作为本发明的一个优选实施例，所述激光的波长为：0.01-100μm，如80μm，优选为0.1-60μm，如0.2μm，50μm更优选为0.5-40μm，如0.8μm，20μm。

作为本发明的一个优选实施例，所述透镜的焦距为5-2500mm，如8mm，1200mm，优选为15-600mm，如24mm，400mm，更优选为35mm-300mm，如50mm，200mm。

作为本发明的一个优选实施例，所述左通道加密密钥和所述右通道加密密钥位于所述傅立叶变换透镜的前焦面上。

本发明的另一个方面在于提供一种双通道多指纹光学加密设备，包括：

——信息储存介质，用于存储信息；

——指纹采集器，用于采集指纹图像；

——加密模块，激光束生成装置发出线偏振光，由分束器分为透射光和反射光，所述透射光产生左通道调制激光，反射光产生右通道调制激光，由合束器产生两路干涉的光束，其中一路光束经傅里叶变换、光电转换后输入到锁相放大器的信号通道；

另一路光束经会聚透镜、光电探测器后，输入到锁相放大器的参考通道；由锁相放大器输出的信号经模数转换器转换后，输入到计算机进行存储和复数化计算，获得所述目标的加密图像；

——解密模块，采用数字解密方法，建立自由空间的脉冲响应函数、加密图像数据进行傅立叶变换后，通过匹配滤波器计算，得到解密的目标图像。

本发明的有益效果在于：本发明基于人体的生物特征具有不可复制的特点，将生物特征识别技术和光学信息处理技术相结合，提出一种双通道多指纹光学加密方法，该方法具有安全性高、密钥管理和携带方便等特点，在信息安全领域将有重要的应用前景。

附图说明

图1为本发明提供的双通道多指纹光学加密方法的示意图，其中，图1a为加密过程，图1b为解密过程；

图2为本发明实施例中的原始图像、左通道指纹图像和右通道指纹图像；

图3为本发明实施例中的加密图像和解密图像。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，为本发明提供的双通道多指纹光学加密方法的原理示意图，其中图1a为该加密方法的加密过程，图1b为该加密方法的解密过程。该加密方法包括加密过程(a)和解密过程(b)。

加密过程为：采集多个指纹，如2个、3个或5个指纹等，该多个指纹可以为同一个人的指纹，也可以为不同人的指纹。激光器11发出的线偏振光由分束器12分成两束，分别为透射光和反射光，其中，透射光经第一声光移频器13的布拉格衍射后产生频移Ω1的衍射光，该衍射光经第一扩束准直器14后变为平面波，该平面波照射到包括指纹图像和随机相位板的左通道加密密钥15上，产生左通道调制激光。

反射光经第二声光移频器16的布拉格衍射后产生频移Ω2的衍射光，经第二扩束准直器17后变为平面波，照射到由指纹图像和随机相位板组成的右通道加密密钥18上，产生右通道调制激光。

其中左通道加密密钥的指纹图像可以为单个指纹或者多个指纹叠加，产生右通道加密密钥的指纹图像也可以为单个指纹或者多个指纹叠。

产生的左通道调制激光和右通道调制激光由合束器19产生两路干涉的光束，其中一路光束经傅立叶变换透镜110照射到光束扫描器111上产生密钥调制的干涉图样，该干涉图样照射到目标112上产生加密信号光，该加密信号光经望远镜113接收，并经第一光电探测器114光电转换后，输入到锁相放大器115的信号通道。另一路光束经会聚透镜116到第二光电探测器117后，输入到锁相放大器115的参考通道，由锁相放大器输出的信号经模数转换器118转换后，输入到计算机进行存储，获得目标的加密图像全息图119。

解密过程为：输入左通道指纹图像的函数F₁(x,y)和随机相位板的函数exp[j2πM₁(x,y)]，其中M₁(x,y)为[0,1]的随机数，计算产生左通道加密密钥函数21。输入右通道的指纹图像的函数F₂(x,y)和随机相位板的函数exp[j2πM₂(x,y)]，其中M₂(x,y)为[0,1]的随机数，计算产生右通道加密密钥函数22。

根据得到的左通道加密密钥函数21和右通道加密密钥函数22计算出加密系统的光学传递函数23，并求出该光学传递函数23的复数共轭，然后对该复数共轭的光学传递函数24进行傅立叶变换，建立自由空间的脉冲响应函数25。输入加密图像全息图119的数据，并对该数据进行傅立叶变换26后，与脉冲响应函数25相乘，对乘积结果进行逆傅立叶变换27，完成匹配滤波计算，得到解密的目标图像28。

所述的左通道加密密钥15由一个随机相位板和一个或多个不同指纹图像叠加组成，放置在傅立叶变换透镜110的前焦面上，指纹图像可以采集自同一人或者不同人；

所述的右通道加密密钥18由一个随机相位板和一个或多个不同指纹图像叠加组成，放置在傅立叶变换透镜110的前焦面上，指纹图像可以采集自同一人或者不同人。

实施例一

对由8个圆孔对称排列一周组成的图像进行加密，该图像如图2a所示，该图像所在圆周的尺寸为Φ10mm，激光器发出激光的波长为0.6328μm，左通道加密密钥15使用的指纹图像F₁(x,y)如图2b所示，该指纹图像的大小约为10mm×12mm，随机相位函数为exp[j2πM₁(x,y)]，M₁(x,y)为[0,1]的随机数。右通道加密密钥18用的指纹图像F₂(x,y)如图2c所示，该指纹图像的大小约为9mm×13mm；随机相位函数为exp[j2πM₂(x,y)]，M₂(x,y)为[0,1]的随机数，傅立叶变换透镜110的焦距为300mm，加密距离为500mm，目标的加密图像如图3a所示，从图3a中可以看出，目标的原始图像被完全隐藏，可以安全地传递和存储。图3b为目标的解密图像，从图3b可以看出，虽然解密图像存在一定的噪声，但目标原始图像的信息能够得以完全再现。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (9)

1.一种双通道多指纹光学加密方法，其特征在于，所述加密方法包括加密过程和解密过程，其中：

所述加密过程包括：

——使用指纹采集器采集至少两个指纹图像，存储备用；

——激光束生成装置发出线偏振光，由分束器分为两束激光，分别为透射光和反射光，所述透射光照射到包括指纹图像和随机相位板的左通道加密密钥上，产生左通道调制激光；

——反射光照射到包括指纹图像和随机相位板的右通道加密密钥上，产生右通道调制激光；

——所述左通道调制激光和所述右通道调制激光由合束器产生两路干涉的光束，其中一路光束照射到光束扫描器上产生密钥调制的干涉图样，将所述干涉图样照射到目标上，目标反射或者透射出加密信号光，所述加密信号光经光电转换后输入到锁相放大器的信号通道；

——另一路光束经会聚透镜到第二光电探测器后，输入到锁相放大器的参考通道；由锁相放大器输出的信号经模数转换器转换后，输入到计算机进行存储和复数化计算，获得所述目标的加密图像；

所述解密过程包括：

——采用数字解密方法，分别根据左通道和右通道的指纹图像和随机相位板对应的函数计算加密系统的光学传递函数及其复数共轭，对所述复数共轭的光学传递函数进行傅里叶变换后，建立自由空间的脉冲响应函数；

——对加密图像的数据进行傅立叶变换，与所述自由空间的脉冲响应函数相乘，然后对所述乘积结果进行逆傅立叶变换，完成匹配滤波计算，得到解密的原始目标图像。

2.根据权利要求1所述的加密方法，其特征在于，所述透射光和所述反射光均经过声光移频器和扩束准直器后照射到所述加密密钥上。

3.根据权利要求1所述的加密方法，其特征在于，所述透射光和所述反射光在所述声光移频器内发生布拉格衍射。

4.根据权利要求1所述的加密方法，其特征在于，所述指纹图像为同一人的指纹图像，或不同人的指纹图像。

5.根据权利要求1所述的加密方法，其特征在于，产生所述左通道加密密钥的指纹图像为单个指纹或者多个指纹叠加，产生所述右通道加密密钥的指纹图像为单个指纹或者多个指纹叠加。

6.根据权利要求1所述的加密方法，其特征在于，所述加密信号光，由望远镜接收，经第一光电探测器的光电转换后，输入到所述锁相放大器的信号通道。

7.根据权利要求1所述的加密方法，其特征在于，所述指纹图像对应的函数为F(x,y)，所述随机相位函数为exp[j2πM(x,y)]，其中M(x,y)为[0,1]的随机数。

8.根据权利要求1所述的加密方法，其特征在于，分束器分成的所述激光的波长为0.01-100μm。

9.一种双通道多指纹光学加密设备，其特征在于，所述加密设备包括：

——信息储存介质，用于存储信息；

——指纹采集器，用于采集指纹图像；

——加密模块，激光束生成装置发出线偏振光，由分束器分为透射光和反射光，所述透射光产生左通道调制激光，反射光产生右通道调制激光，由合束器产生两路干涉的光束，其中一路光束经傅里叶变换、光电转换后输入到锁相放大器的信号通道；

另一路光束经会聚透镜、光电探测器后，输入到锁相放大器的参考通道；由锁相放大器输出的信号经模数转换器转换后，输入到计算机进行存储和复数化计算，获得所述目标的加密图像；

——解密模块，采用数字解密方法，建立自由空间的脉冲响应函数、加密图像数据进行傅立叶变换后，通过匹配滤波器计算，得到解密的目标图像。