CN106791266A - 一种基于光混沌的彩色图像加密传输的方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光混沌的彩色图像加密传输的方法及其系统，该系统包括激光器模块，图像加密模块以及图像解密模块。首先，激光器在光反馈作用下产生混沌输出，从产生的混沌信号中提取加密密钥；采用3D猫映射与Logistic混沌映射等方法对原始图像进行置乱与扩散的加密处理；采用混沌掩盖技术使加密图像在光纤中进行传输，再对其进行相应的解密处理从而恢复原图。本发明提供了一种安全性能高，传输速度快的彩色图像加密传输的方法及其系统。

Description

一种基于光混沌的彩色图像加密传输的方法及其系统

技术领域

本发明涉及光保密通信和图像加密领域，尤其是涉及一种基于光混沌的彩色图像加密传输的方法及其系统。

背景技术

现代科学技术的发展，使得信息时代已经来临，人们发送信息和获取信息的速度越来越快，途径越来越多。信息时代给人们生活带来舒适与便捷的同时也造成了信息易被复制、篡改、泄露等问题。而在军事、交通、经济、政治、教育、传媒等各个领域中每秒都会产生数量庞大的图像信息，其中不乏一些非常有价值且需要高度保密的图像信息。因此，图像信息的安全性与保密性就变得非常重要，图像加密传输的方法与方式成为了人们关注的重点。

自从1998年美国学者Fridrich提出了一种基于混沌系统的图像加密算法，基于混沌理论的图像加密技术就成为了图像加密领域中应用最为广泛的一种方法。混沌现象是由确定性的混沌系统产生的一种随机现象，是一种伪随机过程，具有初值的极端敏感性、非周期性及遍历性等特点，这些特点非常适合用于Fridrich提出的图像加密方法中的置乱与扩散过程。置乱过程是对图像的每个像素的位置进行处理；扩散过程是对图像的像素值进行处理。通过这两种过程，原始图像本身的空间顺序和局部相关性都被破坏，使得图像无法辨识，窃密者无法解密。

迄今为止，人们对混沌系统的图像加密的研究主要集中在电学混沌领域，众多的专家学者在此领域取得了极大的成就。但是电学混沌会受到电子电路的限制导致带宽低，衰减大，损耗高等问题，这极大的限制了其应用的范围与工作效率。

随着激光器的发展与更新，激光混沌保密通信成为了近年来的一个新领域。半导体激光器通过一些方式可以产生高维混沌输出。此光混沌信号具有高带宽，低衰减，低损耗，安全性高的优点，克服了电混沌的限制，因此光混沌可以应用于图像加密传输。

发明内容

本发明提出一种传输速率高，损耗低，加密安全性高的基于光混沌的彩色图像加密传输的方法及其系统。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种基于光混沌的彩色图像加密传输的方法及其系统，所述基于光混沌的彩色图像加密传输的方法及其系统包括激光器模块，图像加密模块，图像解密模块和传输模块。所述激光器模块与图像加密模块相连；激光器模块与传输模块相连；图像加密模块与传输模块相连；传输模块与图像解密模块相连。

上述的基于光混沌的彩色图像加密传输的方法及其系统首先利用激光器模块产生混沌激光输出，而后产生同步激光混沌信号，产生的激光混沌信号用于提取加密密钥，同时也是传输过程中的混沌载波；原始图像通过图像加密模块进行一系列的图像加密处理后，对加密图像与混沌载波进行调制，将调制后的信号通过传输模块进行传输，再解调出加密图像；加密图像通过图像解密模块进行一系列的图像解密处理后，实现图像的恢复。

一种基于光混沌的彩色图像加密传输的方法及其系统，所述激光器模块包括主激光器、从激光器、分束器、光学衰减器、光隔离器、中性密度滤光片、光学加法器、光学减法器、光开关等器件。

上述激光器模块利用主激光器产生混沌激光输出，输出的混沌激光通过分束器、光学衰减器、光隔离器、中性密度滤光片等器件后分别注入了两个从激光器，经过光纤的传输实现其混沌信号的同步并从其混沌输出中提取加解密使用的密钥空间，再由光学加法器、光学减法器、光开关实现其混沌掩盖等混沌调制技术。

所述图像加密模块包括预处理部分、置乱加密部分、扩散加密部分和混沌密钥部分。

上述图像加密模块首先读入原始图像，使原始图像经过预处理部分将其进行分割，再利用3D猫映射(Arnold映射)等方法对图像进行置乱加密，然后利用Logistic混沌映射与“异或加取余”相结合的方法对图像进行扩散加密，最后利用激光器模块中产生的混沌激光输出作为其混沌序列，从中提取出混沌密钥，将混沌密钥与用户输入的密钥进行混合得到加密密匙，从而完成图像的加密过程，得到加密图像。

所述图像解密模块包括反预处理部分、置乱解密部分、扩散解密部分和混沌密钥部分。

上述图像解密模块首先读入加密图像，然后使加密图像经过置乱解密部分、扩散解密部分并结合混沌密钥部分对加密图像进行解密，从而完成图像的解密过程，得到解密图像。

本发明的优点是：

1.本发明利用半导体激光器产生光混沌信号，突破了电混沌的限制，在光纤中传输，带宽高，损耗低，距离长，传输速度快；

2.本发明利用半导体激光器产生光混沌序列提取混沌密钥用于加密密钥的生成，加密安全性高；

3.本发明利用半导体激光器产生光混沌载波进行调制，传输安全性高；

4.本发明利用高维度的置乱和扩散方法，混淆程度高、敏感性强，极大降低了密文像素值间的相关性，提高了图像加密的安全性；

5.本发明利用光混沌序列提取的密钥空间大，可以有效地抵抗差分攻击、穷举攻击，统计攻击等。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明激光器模块结构示意图；

图3为本发明图像加密模块结构示意图；

图4为本发明图像解密模块结构示意图；

图5为输入原始图像；

图6为三个明文灰度图像；

图7为进行置乱加密处理的图像；

图8为进行扩散加密处理后的图像；

图9为最终加密图像；

图10为对加密图像进行扩散解密处理后的图像；

图11为置乱解密后的图像；

图12为得到解密后的图像。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明的实施例作进一步详细的说明：

一种基于光混沌的彩色图像加密传输的方法，所述方法包括下列步骤：

加密步骤：首先读入原始图像，使原始图像经过预处理部分将其进行分割，再对图像进行置乱加密和扩散加密，利用混沌激光输出作为其混沌序列，从中提取出混沌密钥，将混沌密钥与用户输入的密钥进行混合得到加密密匙，从而完成图像的加密过程，得到加密图像；

解密步骤：首先读入加密图像，然后使加密图像经过置乱解密和扩散解密并结合混沌密钥对加密图像进行解密，从而完成图像的解密过程，得到解密图像；其中加密过程中置乱加密和扩散加密的顺序不做限定，解密过程中置乱解密和扩散解密的顺序根据加密过程中来进行适应性调整。

图像置乱加密与扩散加密的算法为Logistic映射、Tent映射、Henon映射、Baker映射、TD-ERCS映射，Chen混沌映射、lorenz混沌映射或超混沌映射映统。

一种实现所述基于光混沌的彩色图像加密传输的方法的系统，所述系统包括激光器模块，图像加密模块，图像解密模块和传输模块；激光器模块和图像加密模块相连，传输模块分别连接激光器模块、图像加密模块和图像解密模块；

激光器模块产生同步的光混沌信号，产生的激光混沌信号用于提取加密密钥，同时也是传输过程中的混沌载波；原始图像通过图像加密模块进行图像加密处理后，对加密图像与混沌载波进行调制，将调制后的信号通过传输模块进行传输，接收机接收到传输信号后，解调出加密图像；加密后的图像通过图像解密模块进行图像解密处理后，实现图像的恢复。

所述激光器模块包括主激光器、从激光器、分束器、光学衰减器、光隔离器、中性密度滤光片、光学加法器、光学减法器和光开关；

所述激光器模块利用主激光器产生混沌信号，输出的混沌信号通过分束器、光学衰减器、光隔离器、中性密度滤光片后分别注入了两个从激光器，经过延时光纤的传输实现混沌信号的同步并从混沌输出中提取加解密使用的密钥空间，再由光学加法器、光学减法器、光开关实现混沌掩盖混沌调制技术。

所述激光器模块产生混沌信号的方式可以是光注入型、光反馈型或光电反馈型。

下面具体的来对本发明做进一步说明：参见图1，本发明提供了一种基于光混沌的彩色图像加密传输的方法及其系统，该系统包括：

激光器模块，图像加密模块，图像解密模块和传输模块。

所述激光器模块用于产生混沌激光输出，并实现其混沌信号的同步，为加密模块提供密钥空间，同时激光器模块为传输模块提供了混沌载波。

所述激光器模块中的光学加法器、光学减法器和光开关等器件用于实现混沌的通信，如混沌掩盖技术，混沌参数调制技术和混沌键控技术。混沌掩盖技术属于混沌模拟通信，混沌参数调制和混沌键控技术属于混沌数字通信技术。

所述图像加密模块用于将原始图像进行加密处理，其中3D猫映射的算法用于对图像进行置乱处理；Logistic混沌映射与“异或加取余”相结合的方法用于对图像进行扩散处理，使其变为杂乱无章，模糊不清的图像。同时由于引入了混沌序列中提取的密钥与用户输入的密钥相结合的算法，极大的增强了其安全性。

所述图像解密模块用于将加密后的图像进行解密处理，其中的解密算法与加密算法互为逆过程，首先逆向进行Logistic混沌映射与“异或加取余”相结合的方法，然后逆向进行3D猫映射的算法，最后可得到解密后的图像，实现图像加密后的恢复。

该方法及其系统的实施包括以下步骤：

1.1激光器模块产生同步激光混沌信号；

1.2产生的激光混沌信号用于提取加密密钥，同时也是传输过程中的混沌载波；

1.3原始图像通过图像加密模块进行一系列的图像加密处理；

1.4对加密图像与混沌载波进行调制，将调制后的信号通过传输模块进行传输；

1.5解调出加密图像；

1.6加密图像通过图像解密模块进行一系列的图像解密处理后，实现图像的恢复。

参见图2，本发明提供了一种激光器模块，该模块包括：

主激光器、从激光器、分束器、光学衰减器、光隔离器、中性密度滤光片、光学加法器、光学减法器、光开关等器件。

所述主激光器用于产生混沌信号，其输出的激光经过外部的平面镜进行反射，反射后的激光又回到主激光器，此时主激光器受到光反馈的作用即可输出混沌信号。

所述从激光器用于进行混沌信号的同步，其两个从激光器的内部参数保持一致。

所述分束器用于将一束输入光分成两束输出光或多束输出光。

所述光学衰减器用于对激光器输出光的功率进行衰减，控制其输出或者注入强度。

所述光隔离器用于确保不会有光注入回主激光器。

所述中性密度滤光片用于调节注入强度。

所述光学加法器、光学减法器、光开关等器件用于实现混沌通信。

该模块的实施包括以下步骤：

2.1主激光器ML发出的光线，经过分束器BS分为两束光，其中一束光入射到平面镜M，在平面镜反射后注入回主激光器，实现光反馈过程，产生混沌激光输出；

2.2输出的混沌激光(即另一束光)经过光隔离器OI、中性密度滤光片NDF后被分束器分成两束混沌激光，分别注入了两个从激光器SL1和SL2，使其同步；

2.3SL1输出的混沌信号用来进行混沌载波调制，并用此混沌信号来提取加解密使用的密钥空间；

2.4SL2输出的混沌信号在接收端用来进行解调；

2.5再由光学加法器、光学减法器、光开关实现其混沌掩盖。

2.6为了描述上述步骤中激光器的非线性动力学行为，其激光器的速率方程可以表示为：

其中上标m,s1和s2分别代表主激光器ML，从激光器SL1和从激光器SL2。E表示光场慢变振幅；N表示激光器腔内的总载流子数；α表示线宽增强因子；τ_P表示光子寿命；τ_in表示激光腔内光的飞行时间；τ_s表示载流子寿命；δ表示光反馈系数；η₁和η₂分别表示主激光器ML到两个从激光器SL1和SL2的单向注入系数；τ_of表示光反馈延迟时间；τ₁和τ₂分别表示主激光器ML到两个从激光器SL1和SL2的传播延迟时间；G表示线性增益系数；g表示微分增益系数；N₀表示透明度载流子数；ρ表示增益饱和系数；ω表示激光器角频率；f表示相应激光器的中心频率；Δw₁和Δw₂分别表示主激光器ML到两个从激光器SL1和SL2的失谐角频率；i表示泵电流；e表示电子电荷；β_sp表示自发辐射因子；ξ表示零均值复高斯噪声源。

参见图3，一种图像加密模块，该模块包括：

预处理部分、置乱加密部分、扩散加密部分和混沌密钥部分。

所述预处理部分用于将彩色图像进行分割，使其变为R、G和B三个灰度图像，即对彩色图像分别进行红色提取，绿色提取与蓝色提取，为了保持图片的完整性(即三种色彩提取结果中彩色相加后能得到原图)，在提取过程中默认设置阈值为0，但为了得到更为单纯的颜色，可适当增大阈值。

所述置乱加密部分利用3D猫映射(三维Arnold映射)对图像进行置乱处理，此处理会改变图像中每一个像素点的位置，使其变为杂乱无章、难以辨认的图像。传统的猫映射是二维可逆混沌映射，已经广泛的用于图像加密领域中，可被描述为：

本专利采用三维猫映射，比传统的二维猫映射具有更好的混沌特征，可更好的对数据进行混合处理，可被描述为：

其中A可被描述为：

式中M为正整数；式中a_x，b_x，a_y，b_y，a_z，b_z是控制参数，它们都是正整数。

所述扩散加密部分用于改变图像中每一个像素点的位置与每一个像素点的值。其中利用的Logistic混沌映射如下式：

x(k+1)＝4x(k)[1-x(k)]

对上式进行数字离散化可得：

Φ(k)＝B·x(k)

式中B是正整数。异或加取余的方法如下式所描述：

C(k)＝Φ(k)⊕{[I(k)+Φ(k)]modM}⊕C(k-1)

上式中I(k)是当前操作的像素；C(k-1)是前一次输出的密码像素；C(k)是当前输出的密码像素；M是色彩的层次(一个256灰度的图像，M＝256)。

所述混沌密钥部分用于完成图像加密密钥的设定。其中K_m表示从SL1输出的混沌密钥空间中提取出的16个8比特长的二进制序列；K_u表示用户输入的密钥，它也是16个8比特长的二进制序列。对K_m与K_u参数进行异或运算生成最终的加密密钥K_s，其过程可描述如下：

K_s＝K_u⊕K_m

式中K_s是8个16比特长的二进制序列。

所述混沌密钥部分由8个参数控制，它们分别是a_x，b_x，a_y，b_y，a_z，b_z，L，S(L是一个阈值在0到1的浮点数；S是一个整数)。这八个参数可由以下公式得到：

式中K_s(i)是K_s中的第i个；K＝65535；M是3D猫映射中最大的矩阵长度。

该模块的实施包括以下步骤：

3.1输入大小为M×N的原始彩色图像，参见图5；

3.2将此原始彩色图像通过预处理部分，分离彩色图像的RGB三基色分量，得三个分量矩阵，每个分量矩阵均为M×N大小的明文灰度图像，其预处理效果参见图6；

3.3分别对这三个分量矩阵采用三维猫映射进行置乱加密处理，其置乱效果参见图7；

3.4然后利用Logistic混沌映射与“异或加取余”相结合的方法分别再对步骤3.3处理后的图像进行扩散加密处理，其扩散效果参见图8；

3.5将用户输入的16位密码与混沌密钥进行异或运算得到最终的16位加密密钥，得到最终的加密图像，其最终加密效果参见图9。

参见图4，一种图像解密模块，该模块包括：

反预处理部分、置乱解密部分、扩散解密部分和混沌密钥部分。

该模块的实施包括以下步骤：

4.1输入正确的16位加密密码；

4.2对此加密图像进行扩散解密处理，其过程是进行Logistic混沌映射与“异或加取余”的逆过程，其扩散解密效果参见图10；

4.3再对步骤4.2处理后的图像进行置乱解密处理，其过程是进行三维Arnold映射的逆过程，其置乱解密效果参见图11；

4.4最后对步骤4.3处理后的图像进行反预处理过程，将三个M×N的R、G、B分量矩阵混合成一个，其过程是进行分离彩色图像的RGB三基色分量的逆过程，得到解密的图像，参见图12。

经对比，解密图像与原始图像一致。

显然，本发明的上述实例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于光混沌的彩色图像加密传输的方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：

加密步骤：首先读入原始图像，使原始图像经过预处理部分将其进行分割，再对图像进行置乱加密和扩散加密，利用混沌激光输出作为其混沌序列，从中提取出混沌密钥，将混沌密钥与用户输入的密钥进行混合得到加密密匙，从而完成图像的加密过程，得到加密图像；

解密步骤：首先读入加密图像，然后使加密图像经过置乱解密和扩散解密并结合混沌密钥对加密图像进行解密，从而完成图像的解密过程，得到解密图像；其中加密过程中置乱加密和扩散加密的顺序不做限定，解密过程中置乱解密和扩散解密的顺序根据加密过程中来进行适应性调整。

2.如权利要求1所述的基于光混沌的彩色图像加密传输的方法，其特征在于，图像置乱加密与扩散加密的算法为Logistic映射、Tent映射、Henon映射、Baker映射、TD-ERCS映射，Chen混沌映射、lorenz混沌映射或超混沌映射系统。

3.一种实现权利要求1和2所述基于光混沌的彩色图像加密传输的方法的系统，其特征在于，所述系统包括激光器模块，图像加密模块，图像解密模块和传输模块；激光器模块和图像加密模块相连，传输模块分别连接激光器模块、图像加密模块和图像解密模块；

激光器模块产生同步的光混沌信号，产生的激光混沌信号用于提取加密密钥，同时也是传输过程中的混沌载波；原始图像通过图像加密模块进行图像加密处理后，对加密图像与混沌载波进行调制，将调制后的信号通过传输模块进行传输，接收机接收到传输信号后，解调出加密图像；加密后的图像通过图像解密模块进行图像解密处理后，实现图像的恢复。

4.如权利要求3所述的基于光混沌的彩色图像加密传输的系统，其特征在于：所述激光器模块包括主激光器、从激光器、分束器、光学衰减器、光隔离器、中性密度滤光片、光学加法器、光学减法器和光开关；

所述激光器模块利用主激光器产生混沌信号，输出的混沌信号通过分束器、光学衰减器、光隔离器、中性密度滤光片后分别注入了两个从激光器，经过延时光纤的传输实现混沌信号的同步并从混沌输出中提取加解密使用的密钥空间，再由光学加法器、光学减法器、光开关实现混沌掩盖混沌调制技术。

5.如权利要求3所述的基于光混沌的彩色图像加密传输的系统，其特征在于：所述激光器模块产生混沌信号的方式可以是光注入型、光反馈型或光电反馈型。