CN105812614B - 基于光场成像与数字重聚焦技术的多图像加密和解密方法 - Google Patents

基于光场成像与数字重聚焦技术的多图像加密和解密方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于光场成像与数字重聚焦技术的多图像加密和解密方法，通过构造由微透镜阵列和放置在其后的离散型图像接收器组成的光场成像加密系统，对多幅明文图像同时进行加密，使加密过程密钥使用复杂性降低，有效减少网络图像传输负载，提高加密效率；同时由于冗余信息的存在，在部分信息丢失的情况下，仍旧可以通过解密恢复出原有图像信息，提高了明文加密方法的抗干扰性。此外，在使用光场成像加密后，可以把获得的加密图像中的每一个子图像作为一个元素，再次或多次对图像阵列进行加密，提高明文图像在空间域和变化域的非线性和无序性，大大提高加密方法的安全性。

Description

基于光场成像与数字重聚焦技术的多图像加密和解密方法
技术领域
本发明涉及一种图像处理技术，特别涉及一种基于光场成像与数字重聚焦技术的多图像加密和解密方法。
背景技术
随着互联网的快速发展，信息数据集成处理技术越来越多的得到重视。在对数据的处理和运用中，信息往往通过网络进行传输，信息传输便捷性的提高随之带来的是信息安全隐患。图像作为数据信息的一种表现形式，其安全性的重要性也受到了广泛关注。图像加密作为图像信息安全的一种保障形式，越来越受到重视。
传统的图像加密算法本质是一种保密算法，大多基于混沌理论，如采用置换—混淆结构对图像加密，将输入图像转换杂乱无章的数据，通过不同的混沌系统随机数序对图像进行置换和混淆加密。其主要特点是需要由密钥和初始参数产生，与图像性质无关，不便之处在于加密过程中明文数据具有单一性，在图像数据传输过程中明文一旦遭受攻击，图像数据就会受到影响，影响解密后的图像数据。为防止遭受攻击而受到的图像损失，有人针对数字图像特点提出各种基于矩阵变换/像素置乱的加密方法，进而避免明文受损，然而这些方法未充分考虑明文和置乱随机性等问题，难以抵抗选择性明文攻击。
此外，当前的图像加密算法大部分是利用图像的矩阵特性，在图像的空域(或频域)，按某种变换规则，改变像素的位置或值，将原始图像变得杂乱无序，使其区别于原有效果，在整个加密过程中密钥称为加密的必须因素，大部分加密算法仅局限于单幅的图像加密，需要根据每幅图像特性对密钥进行修正方可对不同图像加密。若在加密传输中，对多幅图像进行加密，会造成计算量过载，加密时间过长，且加密文件大小会影响传输过程的负载以及传输时间。
近年来，将各种光学加密技术引入到图像加密中成为研究热点，例如在傅里叶域、离散余弦变换域和菲涅尔域等。虽然这些光学加密技术具有高速处理多维数据的能力，但是对于图像的加密仅停留在单图像或双图像。对于双图像加密，可见报导都是将相位掩码作为私有密钥，但此方法不利于密钥储存、传输和管理。
在光场图像加密方面，有人提出通过实际的透镜阵列对单个目标图像加密，由于相邻透镜所产生的信息冗余量和透镜阵列对明文信息成像的分散性，起到对明文的加密的作用，但在加密过程中，被加密图像的有效采集距离有限，且在图像复原过程中，由于解密算法与加密图像相关性较高，被解密图像的重建效果对于图像解密算法依赖性较高，解密重建方法不具备同一性，不同图像的解密方法会造成解密图像关键信息容易造成失真或丢失。且加密图像数量局限于单幅图像，自身计算量又较大，加密效率较低。
发明内容
本发明是针对光场图像加密存在的问题，提出了一种基于光场成像与数字重聚焦技术的多图像加密和解密方法，可同时对多幅图像进行加密和解密，使加密过程密钥使用复杂性降低，有效减少网络图像传输负载，提高加密效率；同时由于冗余信息的存在，在部分信息丢失的情况下，仍旧可以通过解密恢复出原有图像信息，是一种具备高应用价值的图像加密方法。
本发明的技术方案为：一种基于光场成像与数字重聚焦技术的多图像加密和解密方法，具体包括如下步骤：
多图像加密：
1)构造光场成像加密系统：用数学模型或实际光学元件构造光场成像加密系统，构造光场成像加密系统包括一个M×M微透镜阵列和放置在其后的离散型图像接收器，微透镜阵列中子透镜的焦距f′，子透镜孔径大小d，子透镜分辨率即为每个子透镜后对应的离散型图像接收器的像素数为N×N，微透镜阵列中子透镜的间距为φ，微透镜阵列与离散型图像接收器的距离等于微透镜阵列中子透镜的焦距f′；
2)设置多幅待加密图像的物距：将多幅待加密图像放置在透镜阵列前方不同物距位置处；
3)将待加密的多幅图像通过光场成像加密系统进行光场成像，每一幅待加密图像的信息经光场成像加密系统成像后，仅占据整幅光场加密图像的部分空间，不能完全遮挡住其他被加密图像，如遮挡了就调整物距，调整后离散型图像接收器得到待加密图像的光场加密图像X1，实现光场信息的采集；
4)采用混沌理论、像素置乱、信息隐写或如傅里叶域、离散余弦变换域和菲涅尔域中的任意一种或几种光学加密技术对获得的光场加密图像进行二次加密或多次加密，得到二次加密后图像X2或多次加密后图像；
多图像解密：
A：输入待待解密图像，用步骤4)所选光学加密技术的密钥和加密算法，逆向运算进行解密处理，得到解密图像X1′；
B：利用数字重聚焦技术对步骤A解密出的光场加密图像X1′进行解密：
利用高斯公式计算每个加密图像的成像像距l′，
其中l为步骤3)调整后的各个加密图像物距，
通过计算出各个加密图像对应的垂轴放大率；
再通过Δ＝φ·β，计算出不同物距加密图像在加密光场图像中子图像间的偏移量Δ，再分别对M×M个子图像进行对准并合成，合成公式如下：
其中(s,t)为光场图像中心的子图像中心坐标，s＝(N-1)/2，t＝(N-1)/2，k’和k”分别为以光场图像中心子图像为原点的子图像索引序号，其中k’为水平方向索引序号，k”为垂直方向索引序号，(k’＝0，k”＝0)处表示中心子图像，且k’，k”的取值范围为-(M-1)/2≤k′≤(M-1)/2，-(M-1)/2≤k″≤(M-1)/2，最终得到的图像即为解密后的图像。
本发明的有益效果在于：本发明基于光场成像与数字重聚焦技术的多图像加密和解密方法，通过构造光场成像系统，同时对多幅图像进行加密，为明文图像提供了更多的自由度，降低了图像加密中对单次加密多幅的限制，进而提高了图像加密的便捷性；同时由于本方法加密和解密过程中信息的冗余性较高，所以即使在信息加密传输中受到破解攻击而造成部分数据损失的情况下，也仍旧能够恢复出解密图像，不会对最终的解密结果产生很大影响，提高了明文加密方法的抗干扰性。此外，在光场成像加密后，可以把每一个子图像作为一个元素，再次对图像阵列进行加密，使明文图像在空间域和变化域的非线性和无序性得到很大提高，进而大大提高加密方法的安全性。将被加密图像的物距，透镜焦距和子孔径大小等光学系统参数作为私有密钥，具有一定的独立性，扩大了密钥空间，提高了密钥的传输、管理和存储，只有所有密钥正确才能解密出原始图像，加密图像可以更好地应对常规攻击破解，进一步提高了方法的安全性和有效性。
附图说明
图1为本发明加密流程图；
图2为本发明解密流程图；
图3a为本发明待加密明文图像A图；
图3b为本发明待加密明文图像B图；
图3c为本发明待加密明文图像C图；
图4为本发明光场加密图；
图5为本发明子图像的Arnold变换位置置换后的加密图图；
图6为本发明对整幅光场图像的Arnold变换位置置换后的加密图；
图7为本发明子图像索引序号示意图；
图8a为本发明解密后明文图像A图；
图8b为本发明解密后明文图像B图；
图8c为本发明解密后明文图像C图。
具体实施方式
为提高保密等级，首先使用光场成像方法得到一次加密图像X1，然后运用其他加密算法得到二次加密图像X2。为说明方便，实施例中二次加密采用了Arnold变换，也可采用其他如混沌理论、像素置乱、信息隐写或如傅里叶域、离散余弦变换域和菲涅尔域等等光学加密方法。图1是加密流程图，图2是解密流程图。具体实施步骤如下：
第1步：构造光场成像加密系统
在计算机中建立数学模型，用以模拟计算多幅图像通过透镜阵列后得到的光场图像。构造的光场成像加密系统数学模型包括一个M×M微透镜阵列和放置在其后的离散型图像接收器(如CCD或CMOS器件)。在计算机中需设置以下系统参数：微透镜阵列中子透镜的焦距f′(本实施例中令f′＝25/13mm)，子透镜孔径大小d，子透镜数量为M×M，(不失一般性的，实施例中选择M＝15)，子透镜分辨率，即为每个子透镜后对应的离散型图像接收器的像素数为N×N，(不失一般性的，实施例中选择N＝205)，微透镜阵列中子透镜的间距为φ，微透镜阵列与离散型图像接收器的距离等于微透镜阵列中子透镜的焦距f′。本步骤中的光场成像加密系统也可通过实际光学元件来构造。
第2步：设置多幅待加密图像的物距
将待加密图像A、B、C，如图3a、3b、3c所示，分别设置不同物距lA＝13mm、lB＝25mm、lC＝40mm。需要注意的是，对整个光场成像模型而言，每一幅待加密图像的信息经系统成像后，应仅占据整幅光场加密图像的部分空间，不能完全充满，否则将会完全遮挡住其他被加密图像。因此，每一幅被加密图像的关键信息不能完全充满整个光场加密系统的视场范围，相互间应错开，这样才不会造成物距较远的待加密图像被物距较近的待加密图像完全遮挡，远距离待加密图像光场信息不能被获得的问题。
第3步：获得光场加密图像X1
将多幅待加密的图像代入到光场成像加密系统模型中，计算它们经系统后所成的光场图像，并按照成像规律进行图像叠加，模拟现实环境中不同物距物体成像时存在的遮挡效果。叠加后得到的图像，即是获得的多幅待加密图像的光场加密图像X1，该光场加密图像共有M×N×M×N个像素，如图4所示。
第4步：获得二次加密图像X2
本实施例中，二次加密以使用基于Arnold变换的位置置换为例进行说明。为了提高加密等级，本实施例中采用了两次基于Arnold变换的位置置换。也可根据需要采用一次或更多次。
第4.1步：对子图像的Arnold变换位置置换
将照光场加密图像分为M×M个子图像，其中，每个子图像的像素数为N×N，如图4中所示。首先对光场加密图像的M×M个子图像进行位置置换，使之区别于之前的光场加密图像X1，形成中间加密图像X2′。由于破解者对明文图案的不了解，二次加密后的图像X2′不易被破解者察觉到光场加密图像中子图像的位置改动，从而可以提高加密方法的安全性。
任意选择迭代次数i(如令i＝1)，第3步中获得的光场加密图像X1，成为当前待加密的光场图像，子图像位置(x、y)与子图像的个数M是已知量，变换后位置(x′,y′)是未知量。可由Arnold变换的定义式得：
x′＝(x+y)(modM)，
y′＝(x+2y)(modM)，
其中0≤x≤M-1，0≤y≤M-1，0≤x′≤M-1，0≤y′≤M-1。
通过上一步得到的变换位置(x′,y′)，将子图像重新放置在M×M的矩阵中，经过i次变换后得到加密光场图像X2′，如图5所示。
第4.2步：对整幅光场图像的Arnold变换位置置换
变换原理与第4.1步相同，对4.1步中获得的中间加密图像X2′进行变换，即对分辨率为M×N×M×N的整幅图像，再次进行Arnold变换位置置换。
任意选择迭代次数j，本实施案例中令j＝90，得到最终的二次加密图像X2，如图6所示。
解密方法为加密方法的逆过程，解密的具体实施步骤如下：
第1步：信息输入
输入待解密图像X2，和用户给定图像解密密钥：lA、lB、lC、f′、d和迭代次数i，j。
第2步：对二次加密图像解密，在本实施案例中，由于使用了2次Arnold变换位置置换，因此解密过程也需要两次。
第2.1步：
根据Arnold的逆变换，由用户给定的迭代次数j，使每个像素回到原有的位置，得到解密图像X2′。具体的实施步骤如下：
对于当前加密图像X2，(m,n)和图片大小M×N×M×N为已知，m与n为任意加密图像像素坐标，p，q为整数，其值可根据Arnold变换定义式及被处理图像的性质唯一确定，在本例中，p＝1，q＝2。m′、n′为解密后图像的像素坐标。
m+n-m′＝p(M×N)，
m+2n-n′＝q(M×N)。
上式在图像处理的背景下，只能得到唯一的m′、n′解。已知j＝90，对Arnold的逆变换进行90次迭代。得到解密图像X2′。
第2.2步：
由第2.1步Arnold逆变换同理可推导出，在子透镜个数为M×M的透镜阵列中，运行i次逆变化，对加密过的图像进行子图像的在阵列中位置的复原，得到解密图像X1。
第3步：对多幅图像解密
根据用户输入的密钥信息物距lA、lB、lC、焦距f′以及子图像像素N。利用数字重聚焦技术对第2步中解密出的光场加密图像进行解密。
首先根据物距lA、lB、lC，利用高斯公式：
式中l为加密图像物距，l′为成像像距。根据公式分别计算得到lA′、lB′和lC′；
通过计算出对应的垂轴放大率βA、βB和βC；
再通过Δ＝φ·β，式中β为垂轴放大率，φ为微透镜阵列中子透镜的间距，计算出不同物距加密图像A、B、C在加密光场图像中子图像间的偏移量Δ。再根据不同图像不同的偏移量Δ，分别对M×M个子图像进行对准并合成，
其中(s,t)为光场图像中心的子图像的中心坐标，s＝(N-1)/2，t＝(N-1)/2，k’和k”分别为以光场图像中心子图像为原点的子图像索引序号，其中k’为水平方向索引序号，k”为垂直方向索引序号，如图7所示，图中(k’＝0，k”＝0)处表示中心子图像，且k’，k”的取值范围为-(M-1)/2≤k′≤(M-1)/2，-(M-1)/2≤k″≤(M-1)/2。终得到的图像即为解密后的图像A′。同理可得B′和C′，图8a、图8b、图8c为对应图3a、3b、3c加密后解密的明文图像。
以上具体实施案例表明基于合成孔径成像的图像加密方法，适用于大部分种类的多图像加密，降低了图像加密中对单次加密多幅的限制，进而提高了图像加密的便捷性，多幅图像同存储于一个图像中，减少了图像传输过程中的传输负载。加密中不同图像之间相关性小，光场成像后加密图像再次经过基于Arnold变换后体现出像素分布均匀、鲁棒性强等特点。光学系统的各项参数，以及多幅加密图像的成像条件扩充了密钥的多样性，大大提高了密钥被攻击或截取的安全性。由于加密图像由子图像构成，因此子图像的差异性往往不易被攻击者发现，使原有信息数据得到很大保护。此外，由于光场图像每个子图像之间具有互补性，较高的冗余性，所以在加密传输中受到一定程度破解攻击而造成部分数据的损失，不会对最后的解密效果产生很大影响，提高了明文加密方法的遭到如暴力攻击、选择明文攻击等破坏破解方法的抗干扰性。

Claims (1)

1.一种基于光场成像与数字重聚焦技术的多图像加密和解密方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
多图像加密：
1)构造光场成像加密系统：用数学模型或实际光学元件构造光场成像加密系统，构造光场成像加密系统包括一个M×M微透镜阵列和放置在其后的离散型图像接收器，微透镜阵列中子透镜的焦距f′，子透镜孔径大小d，子透镜分辨率即为每个子透镜后对应的离散型图像接收器的像素数为N×N，微透镜阵列中子透镜的间距为φ，微透镜阵列与离散型图像接收器的距离等于微透镜阵列中子透镜的焦距f′；
2)设置多幅待加密图像的物距：将多幅待加密图像放置在透镜阵列前方不同物距位置处；
3)将待加密的多幅图像通过光场成像加密系统进行光场成像，每一幅待加密图像的信息经光场成像加密系统成像后，仅占据整幅光场加密图像的部分空间，不能完全遮挡住其他被加密图像，如遮挡了就调整物距，调整后离散型图像接收器得到待加密图像的光场加密图像X1，实现光场信息的采集；
4)采用混沌理论、像素置乱、信息隐写或如傅里叶域、离散余弦变换域和菲涅尔域中的任意一种或几种光学加密技术对获得的光场加密图像进行二次加密或多次加密，得到二次加密后图像X2或多次加密后图像；
多图像解密：
A：输入待待解密图像，用步骤4)所选光学加密技术的密钥和加密算法，逆向运算进行解密处理，得到解密图像X1′；
B：利用数字重聚焦技术对步骤A解密出的光场加密图像X1′进行解密：
利用高斯公式计算每个加密图像的成像像距l′，
其中l为步骤3)调整后的各个加密图像物距，
通过计算出各个加密图像对应的垂轴放大率，β为垂轴放大率；
再通过△＝φ·β，计算出不同物距加密图像在加密光场图像中子图像间的偏移量△，再分别对M×M个子图像进行对准并合成，合成公式如下：
<mrow> <msup> <mi>A</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>N</mi> </mfrac> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>M</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> <mo>/</mo> <mn>2</mn> </mrow> </munderover> <msubsup> <mi>X</mi> <mn>1</mn> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>+</mo> <msup> <mi>k</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> <mo>+</mo> <msup> <mi>k</mi> <mrow> <mo>&amp;prime;</mo> <mo>&amp;prime;</mo> </mrow> </msup> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> </mrow>
其中(s,t)为光场图像中心的子图像中心坐标，s＝(N-1)/2，t＝(N-1)/2，k’和k”分别为以光场图像中心子图像为原点的子图像索引序号，其中k’为水平方向索引序号，k”为垂直方向索引序号，(k’＝0，k”＝0)处表示中心子图像，且k’，k”的取值范围为-(M-1)/2≤k′≤(M-1)/2，-(M-1)/2≤k″≤(M-1)/2，最终得到的图像即为解密后的图像A′。
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