CN106533667B - 基于双光束干涉的多级密钥生成方法和用户分级认证方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双光束干涉的多级密钥的生成方法和分级认证方法。该生成方法包括：保存至少两幅标准参考图像；选择一个随机的纯相位分布函数作为相位锁；对至少两幅标准参考图像中的每一幅，采用迭代相位恢复处理过程，将标准参考图像编码至输入面对应的稀疏相位分布中；将得到的至少两个稀疏相位分布进行不同数量的叠加，获得不同授权等级的相位密钥。该分级认证方法包括：获取相位锁与相位密钥在输出平面的干涉场强度分布；利用非线性相关算法计算干涉场强度分布与至少两幅标准参考图像的非线性相关分布；以与干涉场强度分布出现显著的非线性相关峰的标准参考图像的数量，作为相位密钥的授权等级。

Description

基于双光束干涉的多级密钥生成方法和用户分级认证方法

技术领域

本发明涉及光学密码技术领域，特别是涉及一种基于双光束干涉的多级密钥生成方法和分级认证方法。

背景技术

2008年，由首都师范大学张岩等人提出了基于双光束干涉原理的光学图像加密技术，利用解析推导的方法，将一幅原始明文图像加密至两个纯相位模板上。因其工作原理清晰，系统结构简单及加密算法的简易高效性而受到研究者们的持续关注。但后续研究表明，该系统存在固有的“轮廓复现”问题，即由加密过程中解析产生的两个随机相位掩膜中的任意一个进行衍射成像，在输出面仍可观察到初始图像的模糊轮廓，这就使得系统存在信息泄露的安全隐患。研究者们针对此问题提出了一系列安全性增强方案，如：随机交换两个相位掩膜上部分对应位置的像素值、引入Jigsaw等非线性变换、增加随机相位扰动次数等。然而，上述改进方案通常又面临设计复杂，实现困难等新问题，且部分改进方案并未完全消除影像问题。

发明内容

基于此，有必要提供一种可以消除影像问题的基于双光束干涉的多级密钥生成方法。

此外，还提供一种分级认证方法。

一种基于双光束干涉的多级密钥的生成方法，包括：

保存至少两幅标准参考图像；

选择一个随机的纯相位分布函数作为相位锁；

对所述至少两幅标准参考图像中的每一幅，采用迭代相位恢复处理过程，将标准参考图像编码至输入面对应的稀疏相位分布中；

将得到的至少两个稀疏相位分布进行不同数量的叠加，获得不同授权等级的相位密钥。

在其中一个实施例中，所述稀疏相位分布的有效像素点占总像素点的百分比为预设固定比例。

在其中一个实施例中，所述纯相位分布函数采用如下方法生成：

由随机数产生器生成一个均匀分布在[0,2π]上的随机数矩阵并构建纯相位分布函数作为相位锁。

在其中一个实施例中，所述迭代相位恢复处理过程包括：

初始化输出面的相位分布函数其中，在区间[0,2π]中随机选取；

采用当前处理的标准参考图像O_m(x,y)对所述输出面施加振幅约束，构造出复振幅分布函数作为迭代初始值；

根据所述纯相位分布函数进行菲涅耳衍射运算得到固定偏置PH(x,y)：

其中，FrT_λ,z{*}表示入射波长和衍射距离分别为λ和z的菲涅尔衍射运算；

对第l次迭代，计算进行偏置后的输出面振幅分布：

对所述进行偏置后的输出面振幅分布进行逆菲涅尔衍射运算，得到对应于输入面的复振幅分布

其中，IFrT_λ,z{*}表示入射波长和衍射距离分别为λ和z的逆菲涅尔衍射运算；

采用随机二值振幅分布S_m(x,y)施加输入面约束，得到稀疏相位分布的估计值并记为

对稀疏相位分布的估计值进行菲涅尔衍射运算，得到其菲涅尔衍射分布

将菲涅尔衍射分布与所述固定偏置PH(x,y)相加得到干涉场分布

比较干涉场分布强度与标准参考图像O_m(x,y)的相似程度，当相关峰值达到预先设定的阈值或迭代次数达到预设值时，将作为最终的稀疏相位分布P_m(x,y)，否则继续进行第l+1次迭代。

在其中一个实施例中，相邻授权等级的相位密钥仅相差一个稀疏相位分布，采用公式表示为：

T_n(x,y),n＝1,2,...,M为M个不同授权等级的相位密钥。

在其中一个实施例中，所述预设固定比例为10％～20％。

一种用户分级认证方法，基于上述的多级相位密钥的生成方法所生成的多级相位密钥及涉及的相位锁，包括：

获取所述相位锁与相位密钥在输出平面的干涉场强度分布；

利用非线性相关算法计算所述干涉场强度分布与所述至少两幅标准参考图像的非线性相关分布；

以与所述干涉场强度分布出现显著的非线性相关峰的标准参考图像的数量，作为所述相位密钥的授权等级。

在其中一个实施例中，所述认证方法采用计算仿真实现或利用光电混合系统完成；其中，采用光电混合系统完成时，相位锁预先生成并存储在认证系统中，并包括如下步骤：

将相位密钥加载至输入面指定位置；

采用两束相干平面波分别垂直照射所述相位锁和相位密钥，经过波前调制后各自经由半反半透镜重新合成一束；

经菲涅耳衍射在输出面获得干涉场强度分布。

上述方法，由于稀疏的相位密钥所含数据量少，故便于携带。同时相位信息不能被CCD等强度探测器探测到，具有相对较高的安全性。而认证过程中的输出图像为视觉上不可见的伪噪声分布，不会出现“轮廓复现”的问题。

附图说明

图1为一实施例的基于双光束干涉的多级密钥的生成方法流程图；

图2为迭代处理的流程图；

图3为一实施例的用户分级认证方法流程图；

图4为分级认证的示意图；

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例进行进一步说明。

图1为一实施例的基于双光束干涉的多级密钥的生成方法流程图。该方法包括：

步骤S110：保存至少两幅标准参考图像。标准参考图像为像素点强度固定的图像，一旦确定为标准参考图像，内容固定。标准参考图像例如可以是图像处理领域熟知的“Lena”、“Peppers”、“Baboon”等，或者也可以是其他图像。

步骤S120：生成一个随机的纯相位分布函数作为相位锁。纯相位分布函数是指幅值为1的分布函数，可以表示为其中表示在(x,y)位置的相角。随机是指(x,y)位置的相角在[0,2π]上随机选取。

具体的，所述纯相位分布函数采用如下方法生成：

由随机数产生器生成一个均匀分布在[0,2π]上的随机数矩阵并构建纯相位分布函数作为相位锁。

步骤S130：对所述至少两幅标准参考图像中的每一幅，采用迭代相位恢复处理过程，将标准参考图像编码至输入面对应的稀疏相位分布中。每幅标准参考图像对应于输入面的一个稀疏相位分布，该稀疏相位分布只包含有标准参考图像的主要信息，降低了信息泄露的可能性。

步骤S140：将得到的至少两个稀疏相位分布进行不同数量的叠加，获得不同授权等级的相位密钥。根据步骤S130的处理可知，每个稀疏相位分布都包含有一幅标准参考图像的主要信息，因此两个以上的稀疏相位分布相互叠加后，其就包含有两个以上的标准参考图像非的主要信息。不同数量的稀疏相位分布叠加，可以获得不同授权等级的相位密钥。

可以理解，相同数量、但由不同的稀疏相位分布叠加而来的相位密钥其授权等级相同。例如三个稀疏相位分布P1(x,y)、P2(x,y)、P3(x,y)，可以形成三个授权等级为1的相位密钥P1(x,y)、P2(x,y)、P3(x,y)，也可以形成三个授权等级为2的相位密钥P1(x,y)+P2(x,y)、P1(x,y)+P3(x,y)、P2(x,y)+P3(x,y)，并能形成一个授权等级为3的相位密钥P1(x,y)+P2(x,y)+P3(x,y)。

在一个实施例中，相邻授权等级的相位密钥仅相差一个稀疏相位分布，采用公式表示为：

T_n(x,y),n＝1,2,...,M为M个不同授权等级的相位密钥。

上述方法，稀疏的相位密钥所含数据量少，便于携带。相位信息不能被CCD等强度探测器探测到，具有相对较高的安全性。认证过程中的输出图像为视觉上不可见的伪噪声分布，不会出现“轮廓复现”的问题。

在其中一个实施例中，所述稀疏相位分布的有效像素点占总像素点的百分比为预设固定比例。其中有效像素点指像素值为1的像素点。该固定比例一般为10％～20％，优选为15％。且多个稀疏相位分布的有效像素点的位置不重合，即要求多个稀疏相位分布的有效像素点比例之和不超过100％。

在其中一个实施例中，结合图2，在步骤S130中的所述迭代相位恢复处理过程包括：

步骤S131：初始化输出面的相位分布函数其中，在区间[0,2π]中随机选取。

步骤S132：采用当前处理的标准参考图像O_m(x,y)对所述输出面施加振幅约束，构造出复振幅分布函数作为迭代初始值。

步骤S133：根据所述纯相位分布函数进行菲涅耳衍射运算得到固定偏置PH(x,y)：

其中，FrT_λ,z{*}表示入射波长和衍射距离分别为λ和z的菲涅尔衍射运算。

步骤S134：对第l次迭代，计算进行偏置后的输出面振幅分布：

步骤S135：对所述进行偏置后的输出面振幅分布进行逆菲涅尔衍射运算，得到对应于输入面的复振幅分布

其中，IFrT_λ,z{*}表示入射波长和衍射距离分别为λ和z的逆菲涅尔衍射运算。

步骤S136：采用随机二值振幅分布S_m(x,y)施加输入面约束，得到稀疏相位分布的估计值并记为

步骤S137：对稀疏相位分布的估计值进行菲涅尔衍射运算，得到其菲涅尔衍射分布

步骤S138：将菲涅尔衍射分布与所述固定偏置PH(x,y)相加得到干涉场分布

步骤S139：比较干涉场分布强度与标准参考图像O_m(x,y)的相似程度，当相关峰值达到预先设定的阈值或迭代次数达到预设值时，将作为最终的稀疏相位分布P_m(x,y)，否则继续进行第l+1次迭代。其中，第l+1次迭代的初值采用标准参考图形进行幅度约束，相位与得到的干涉场分布的相位相同。

以上详细介绍了将第M幅标准参考图像O_m(x,y)循环迭代编码到稀疏纯相位分布P_m(x,y)上的过程。对所有M幅标准参考图像分别应用同样的编码方案，可获得相应的M个稀疏纯相位分布P_m(x,y),m＝1,2,...,M。

根据访问系统资源的权限大小，通过设计认证密钥的构成，将授权用户分为M级，其中，最高级别的授权用户必须通过所有M幅标准参考图像的认证，第二级授权用户须通过前M-1幅标准参考图像的认证，最低级别的授权用户，仅需通过第一幅标准参考图像的认证。显而易见，级别越低的用户所需通过的认证次数越少。按照上述分级身份认证规则，我们将以上获得的M个“稀疏相位分布”P_m(x,y),m＝1,2,...,M进行简单的叠加复用，即可获得对应的M个相位密钥T_n(x,y),n＝1,2,...,M，并将其分配给不同授权级别的用户。

因此，上述实施例的方法可以获得具有不同授权等级的多个相位密钥。通过认证，可以实现用户不同等级的权限。

以下实施例基于上述实施例生成的多个相位密钥和所涉及的相位锁，提供一种用户分级认证的方法。

图3为一实施例的用户分级认证方法流程图。结合图4，该分级认证方法包括以下步骤：

步骤S210：获取所述相位锁与相位密钥在输出平面的干涉场强度分布。所述认证方法可以采用计算仿真实现或利用光电混合系统完成。其中，采用光电混合系统完成时，相位锁预先生成并存储在认证系统中。并且本步骤具体包括如下步骤：

步骤S211：将相位密钥加载至输入面指定位置。

步骤S212：采用两束相干平面波分别垂直照射所述相位锁和相位密钥，经过波前调制后各自经由半反半透镜重新合成一束。

步骤S213：经菲涅耳衍射在输出面获得干涉场强度分布。

上述步骤获得干涉场强度分布。

步骤S220：利用非线性相关算法计算所述干涉场强度分布与所述至少两幅标准参考图像的非线性相关分布。

步骤S230：以与所述干涉场强度分布出现显著的非线性相关峰的标准参考图像的数量，作为所述相位密钥的授权等级。

如图4所示，用两束相干平面波分别垂直照射于SLM1(相位锁)和SLM2(认证密钥)，分别经过其波前调制后，各自经由HM(半透半反镜)重新合成一束，再一起在自由空间传播一段距离(菲涅尔衍射)，最后在输出面相互干涉，其干涉场的强度分布就是用于实现认证的输出图像U_n(x,y)，用CCD等强度探测器就可以直接记录。再利用非线性相关算法计算输出图像U_n(x,y)和各个对应的标准参考图像O_m(x,y),m＝1,2,3,...,M的非线性相关分布，如果计算所得的前n个非线性相关分布均有明显的非线性相关峰，则通过身份认证，可授予该用户第n级别的系统访问权限，如果前n个非线性相关分布中某一个或多个非线性相关分布没有显著的相关峰，而是噪声背景分布，则不能通过身份认证，拒绝该用户访问第n级系统资源。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于双光束干涉的多级密钥的生成方法，包括：

保存至少两幅标准参考图像；

选择一个随机的纯相位分布函数作为相位锁；

对所述至少两幅标准参考图像中的每一幅，采用迭代相位恢复处理过程，将标准参考图像编码至输入面对应的稀疏相位分布中，多个稀疏相位分布的有效像素点的位置不重合；

将得到的至少两个稀疏相位分布进行不同数量的叠加，获得不同授权等级的相位密钥。

2.根据权利要求1所述的基于双光束干涉的多级密钥的生成方法，其特征在于，所述稀疏相位分布的有效像素点占总像素点的百分比为预设固定比例。

3.根据权利要求1所述的基于双光束干涉的多级密钥的生成方法，其特征在于，所述纯相位分布函数采用如下方法生成：

由随机数产生器生成一个均匀分布在[0,2π]上的随机数矩阵并构建纯相位分布函数作为相位锁。

4.根据权利要求1所述的基于双光束干涉的多级密钥的生成方法，其特征在于，所述迭代相位恢复处理过程包括：

初始化输出面的相位分布函数其中，在区间[0,2π]中随机选取；

采用当前处理的标准参考图像O_m(x,y)对所述输出面施加振幅约束，构造出复振幅分布函数作为迭代初始值；

根据所述纯相位分布函数进行菲涅耳衍射运算得到固定偏置PH(x,y)：

其中，FrT_λ,z{*}表示入射波长和衍射距离分别为λ和z的菲涅尔衍射运算；

对第l次迭代，计算进行偏置后的输出面振幅分布：

对所述进行偏置后的输出面振幅分布进行逆菲涅尔衍射运算，得到对应于输入面的复振幅分布

其中，IFrT_λ,z{*}表示入射波长和衍射距离分别为λ和z的逆菲涅尔衍射运算；

采用随机二值振幅分布S_m(x,y)施加输入面约束，得到稀疏相位分布的估计值并记为

对稀疏相位分布的估计值进行菲涅尔衍射运算，得到其菲涅尔衍射分布

将菲涅尔衍射分布与所述固定偏置PH(x,y)相加得到干涉场分布

比较干涉场分布强度与标准参考图像O_m(x,y)的相似程度，当相关峰值达到预先设定的阈值或迭代次数达到预设值时，将作为最终的稀疏相位分布P_m(x,y)，否则继续进行第l+1次迭代。

5.根据权利要求1所述的基于双光束干涉的多级密钥的生成方法，其特征在于，相邻授权等级的相位密钥仅相差一个稀疏相位分布，采用公式表示为：

T_n(x,y),n＝1,2,...,M为M个不同授权等级的相位密钥。

6.根据权利要求2所述的基于双光束干涉的多级密钥的生成方法，其特征在于，所述预设固定比例为10％～20％。

7.一种用户分级认证方法，基于权利要求1～6任一项所述多级相位密钥的生成方法所生成的多级相位密钥及涉及的相位锁，包括：

获取所述相位锁与相位密钥在输出平面的干涉场强度分布；

利用非线性相关算法计算所述干涉场强度分布与所述至少两幅标准参考图像的非线性相关分布；

以与所述干涉场强度分布出现显著的非线性相关峰的标准参考图像的数量，作为所述相位密钥的授权等级。

8.根据权利要求7所述的用户分级认证方法，其特征在于，所述认证方法采用计算仿真实现或利用光电混合系统完成；其中，采用光电混合系统完成时，相位锁预先生成并存储在认证系统中，并包括如下步骤：

将相位密钥加载至输入面指定位置；

采用两束相干平面波分别垂直照射所述相位锁和相位密钥，经过波前调制后各自经由半反半透镜重新合成一束；

经菲涅耳衍射在输出面获得干涉场强度分布。