CN107104790A - 基于qr码和阵列指纹密钥的光学加密方法 - Google Patents

基于qr码和阵列指纹密钥的光学加密方法 Download PDF

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Abstract

本发明基于QR码和阵列指纹密钥的光学加密方法，涉及信息安全的光学加密技术领域。本发明的光学加密方法，包括QR码转换1步骤，混合指纹密钥生成2步骤，QR码加密3步骤，QR码解密4步骤和原始信息再现5步骤等五个部分。本发明主要技术贡献可概括为：将原始信息转换为QR码进行加密，具有信息量大，信息种类多，而且用智能手机或IPAD等设备进行在线扫描，方便快捷。用人体的生物特征——指纹，尤其是阵列指纹作为混合密钥进行联合加密，私密性好，安全性更高。在为解决互联网信息安全，特别提高建立在光学图像信息传递的安全性方面提供了新的技术手段，它具有适用范围广，结构简单，携带方便，安全性好等的优势。

Description

基于QR码和阵列指纹密钥的光学加密方法
技术领域
本发明涉及信息安全的光学加密技术领域，具体指一种基于QR码和阵列指纹密钥的光学加密方法。
背景技术
随着互联网和各种信息传递技术的广泛应用，信息安全成为人们关注的热点之一。对所传递的信息进行加密是一种行之有效的技术手段。由于光学系统在信息处理上具有高速并行的处理能力，光学图像加密成为近年来的研究热点。国内外很多人开展了光学图像加密技术的研究，采用傅立叶变换、数字全息、菲涅尔变换、夫朗和费衍射、光学相关等光信息处理方法，来达到对信息加密的目的。近年来，Gyrator变换作为一种新兴的数学变换备受人们重视，尤其在图像加密领域。2007年，Rodrigo等在数学上提出了Gyrator变换，它是传统傅里叶变换在分数级次上的推广，详细讨论了这种变换的多种性质。随后，又提出了在光学上实现Gyrator变换，采用两两之间具有特定距离的三个广义透镜组成的光学系统来实现，进而，Gyrator变换在图像加密领域获得了广泛应用。但是，传统的Gyrator变换安全性不高，易于受到攻击，而且，一次加密过程可携带信息量少，只能对单幅或几幅图像进行加密。
发明内容
本发明的目的是针对现有信息加密技术中存在的缺陷和不足，提出一种基于QR码和阵列指纹密钥的光学加密方法，即先将原始信息转换为相应的QR码，通过阵列指纹密钥和结合Gyrator变换，实现QR码的加密和解密，再通过智能手机或IPAD等扫描设备读出原始信息。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种基于QR码和阵列指纹密钥的光学加密方法，包括步骤：QR码转换，混合指纹密钥生成，QR码加密，QR码解密和原始信息再现等五个部分，其包括下列详细步骤：
步骤(1)QR码转换
通过QR码生成器将原始信息转换为相应的QR码；
所述的原始信息可以是文字、图像、URL地址和电子邮件等能用QR码生成器在线转换的信息。
步骤(2)混合指纹密钥生成
定义：混合指纹密钥，包括混合指纹加密密钥和混合指纹解密密钥；
通过对混合指纹加密密钥取复数共轭，得到混合指纹解密密钥。
混合指纹密钥生成，通过指纹读取设备获取到人体指纹图像，然后对指纹图像进行图像处理，使之更清晰；
然后采集更多用户的指纹图像或者同一用户的不同指纹图像，经过上述相同步骤的处理，建立指纹密钥库；
从指纹密钥库中选取出N×M个欲参与加密过程的用户的指纹图像，形成N×M阵列指纹密钥；
由激光器发出的激光，经过扩束器扩束后，照射到达曼光栅上，经傅里叶变换透镜L1在焦面处产生N×M束等强度的阵列激光，照射N×M阵列指纹密钥，再经傅里叶变换透镜L2在焦面处生成混合指纹加密密钥。
达曼光栅是一种特定设计的周期性的相位光栅，可以产生等强度的N×M阵列激光，N和M的数值由达曼光栅的结构决定，N×M阵列激光中的每一束激光对应照射N×M阵列指纹密钥中每一个指纹图像，每一束激光光斑大小和每一个指纹图像的尺寸相匹配。
达曼光栅和阵列指纹密钥分别位于傅里叶变换透镜L1的前焦面和后焦面；阵列指纹密钥和混合指纹加密密钥分别位于傅里叶变换透镜L2的前焦面和后焦面。
步骤(3)QR码加密
QR码与加密随机相位板相乘，经过第一级Gyrator变换后，与混合指纹加密密钥相乘，经过第二级Gyrator变换，获得加密QR码。
第一级Gyrator变换是角度为α1的Gyrator变换，第二级Gyrator变换是角度为α2的Gyrator变换。
步骤(4)QR码解密
加密QR码经过第二级Gyrator逆变换，与混合指纹解密密钥相乘后，经过第一级Gyrator逆变换后，与解密随机相位板相乘，获得解密QR码。
解密随机相位板是加密随机相位板的复数共轭；第一级Gyrator逆变换是角度为-α1的Gyrator变换，第二级Gyrator逆变换是角度为-α2的Gyrator变换。
步骤(5)原始信息再现
通过智能手机、IPAD等设备扫描解密QR码读出原始信息。
综上所述，本发明具有如下特点：第一、将原始信息转换为QR码进行加密，具有信息量大，信息种类多，而且用智能手机或IPAD等设备进行在线扫描，方便快捷。第二、用人体的生物特征——指纹，尤其是阵列指纹作为混合密钥进行联合加密，私密性好，安全性更高。
附图说明
图1为本发明基于QR码和阵列指纹密钥的光学加密方法的流程框图；
图中1：QR码转换；2：混合指纹密钥生成；3：QR码加密；4：QR码解密；5：原始信息再现。
图2为本发明混合指纹加密密钥的生成示意图。
图中24：激光器；25：扩束器；26：达曼光栅；L1：傅里叶变换透镜；
23：阵列指纹密钥；L2：傅里叶变换透镜；S:混合指纹密钥；S1：混合指纹加密密钥；S2：混合指纹解密密钥。
图3为本发明QR码加密原理示意图；
图中12：QR码；R1：加密随机相位板；31：第一级Gyrator变换；
32：第二级Gyrator变换；S1：混合指纹加密密钥；13：加密QR码。
图4为本发明QR码解密原理示意图；
图中R2：解密随机相位板；41：第一级Gyrator逆变换；42：第二级Gyrator逆变换；S2：混合指纹解密密钥；14：解密QR码。
图5为本发明实施例原始信息11加密示意图；
图中QR码12，阵列指纹密钥23和加密QR码13。
图6为本发明实施例中匹配密钥和非匹配密钥情况下的解密示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
一种基于QR码和阵列指纹密钥的光学加密方法(如附图1所示)，包括
步骤1：QR码转换；步骤2：混合指纹密钥生成；步骤3：QR码加密；步骤4：QR码解密和步骤5：原始信息再现5等五个部分组成，详细包括下列步骤：
步骤1：QR码转换
通过QR码生成器将原始信息11转换为相应的QR码12。
所述的原始信息11可以是文字、图像、URL地址和电子邮件等能用QR码生成器在线转换的信息。
步骤2：混合指纹密钥生成
通过指纹读取设备获取到人体指纹图像21，然后要对指纹图像21进行图像处理，使之更清晰，然后采集更多用户的指纹图像21或者同一用户的不同指纹图像21，经过相同的处理步骤，建立指纹密钥库22；从指纹密钥库22中提取出N×M个欲参与加密过程的用户的指纹图像21，形成N×M阵列指纹密钥23。
由激光器24发出的激光，经过扩束器25扩束后，照射到达曼光栅26上，经傅里叶变换透镜L1在焦面处产生N×M束等强度的阵列激光，经过N×M阵列指纹密钥23，再经傅里叶变换透镜L2在焦面处生成混合指纹加密密钥S1(如附图2所示)。
所述达曼光栅26是一种特定设计的周期性的相位光栅，可以产生等强度的N×M阵列激光，N和M的数值由达曼光栅的结构决定，N×M阵列激光中的每一束激光对应照射N×M阵列指纹密钥23中每一个指纹图像，每一束激光光斑大小和每一个指纹图像的尺寸相匹配。
所述达曼光栅26和阵列指纹密钥23分别位于傅里叶变换透镜L1的前焦面和后焦面。
阵列指纹密钥23和混合指纹加密密钥S1分别位于傅里叶变换透镜L2的前焦面和后焦面。
混合指纹密钥S包括混合指纹加密密钥S1和混合指纹解密密钥S2；对混合指纹加密密钥S1取复数共轭，得到混合指纹解密密钥S2。
步骤3：QR码加密的加密原理(如附图3所示):
QR码12与加密随机相位板R1相乘，经过第一级Gyrator变换31后，与混合指纹加密密钥S1相乘，经过第二级Gyrator变换32，获得加密QR码13。
第一级Gyrator变换31是角度为α1的Gyrator变换，第二级Gyrator变换32是角度为α2的Gyrator变换。
步骤4：QR码解密的解密原理(如附图4所示):
加密QR码13经过第二级Gyrator逆变换42后，与混合指纹解密密钥S2相乘，经过第一级Gyrator逆变换41，再与解密随机相位板R2相乘，获得解密QR码14。
解密随机相位板R2是加密随机相位板R1的复数共轭；第一级Gyrator逆变换41是角度为-α1的Gyrator变换，第二级Gyrator逆变换42是角度为-α2的Gyrator变换。
步骤5：原始信息再现，使用智能手机、IPAD等设备扫描解密QR码14读出原始信息11。
本发明的一个实施例：
原始信息11为一幅图片(如附图5a所示)，用QR码生成器将原始信息11转换为相应的QR码12(如附图5b所示)。
加密过程采用角度α1为π/3的第一级Gyrator变换31和角度α2为π/5的第二级Gyrator变换32。达曼光栅26可产生5×5等强度的阵列激光(N＝M＝5)，每个光斑直径12mm，相邻两个光斑边缘之间的距离3mm(如附图5c所示)；阵列指纹密钥23为5×5矩阵排列的25个指纹图像，每一束激光照射一个指纹图像，每个指纹图像约为15mm×15mm(如附图5d所示)。
根据附图3的加密原理得到的加密QR码13(如附图6a所示)。根据附图4的解密原理，采用完全匹配的解密密钥和对应级次的Gyrator逆变换，第一级Gyrator逆变换41和第二级Gyrator逆变换42，得到的解密QR码14(如附图6b所示)，采用错误解密密钥时，得到解密QR码14(如附图6c所示)。由附图6可以看出，在解密密钥完全匹配，能得到清晰的解密QR码图片，解密密钥不正确时，不能得到解密QR码，进而不能扫描出原始信息。由此可见，本发明提出的光学加密方法具有保密性高的特点。
据此，本发明主要技术贡献可概括为：
(1)将原始信息转换为QR码进行加密，具有信息量大，信息种类多，而且用智能手机或IPAD等设备进行在线扫描，方便快捷。
(2)用人体的生物特征——指纹，尤其是阵列指纹作为混合密钥进行联合加密，私密性好，安全性更高。
综上所述，本发明基于QR码和阵列指纹密钥的光学加密方法，基于以上重要特点，在为解决互联网信息安全，特别提高建立在光学图像信息传递的安全性方面提供了新的技术手段，它具有适用范围广，结构简单，携带方便，安全性好等的优势。

Claims (9)

1.一种基于QR码和阵列指纹密钥的光学加密方法，其特征在于，由步骤(1)QR码转换，步骤(2)混合指纹密钥生成，步骤(3)QR码加密，步骤(4)QR码解密和步骤(5)原始信息再现组成。
2.如权利要求1所述的基于QR码和阵列指纹密钥的光学加密方法，其特征在于，所述步骤(1)QR码转换：
通过QR码生成器将原始信息(11)转换为相应的QR码(12)；
所述原始信息(11)是能用QR码生成器在线转换的信息，包括文字、图像、URL地址和电子邮件。
3.如权利要求1所述的基于QR码和阵列指纹密钥的光学加密方法，其特征在于，所述步骤(2)混合指纹密钥生成：
通过指纹读取设备获取到人体指纹图像(21)，对指纹图像(21)进行图像处理，使之更清晰；
采集更多用户的指纹图像(21)或者同一用户的不同指纹图像(21)，经过上述相同的步骤处理，建立指纹密钥库(22)；
从指纹密钥库(22)中提取出N×M个欲参与加密过程的用户的指纹图像(21)，形成N×M阵列指纹密钥(23)；
由激光器(24)发出激光，经过扩束器(25)扩束，照射到达曼光栅(26)上，经傅里叶变换透镜(L1)在焦面处形成N×M束等强度的阵列激光，经过N×M阵列指纹密钥(23)，再经傅里叶变换透镜(L2)在焦面处生成混合指纹加密密钥(S1)；
所述阵列指纹密钥(23)和混合指纹加密密钥(S1)分别位于傅里叶变换透镜(L2)的前焦面和后焦面；
所述混合指纹密钥(S)包括混合指纹加密密钥(S1)和混合指纹解密密钥(S2)；
所述混合指纹解密密钥(S2)，通过对混合指纹加密密钥(S1)取复数共轭获得。
4.如权利要求1所述的基于QR码和阵列指纹密钥的光学加密方法，其特征在于，所述步骤(3)QR码加密：
将QR码(12)与加密随机相位板(R1)相乘，经过第一级Gyrator变换(31)后，与混合指纹加密密钥(S1)相乘，经过第二级Gyrator变换(32)，获得加密QR码(13)。
5.如权利要求1所述的基于QR码和阵列指纹密钥的光学加密方法，其特征在于，所述步骤(4)QR码解密：
将加密QR码(13)经过第二级Gyrator逆变换(42)后，与混合指纹解密密钥(S2)相乘，经过第一级Gyrator逆变换(41)，再与解密随机相位板(R2)相乘，获得解密QR码(14)。
6.如权利要求1所述的基于QR码和阵列指纹密钥的光学加密方法，其特征在于，所述步骤(5)原始信息再现：通过智能手机、IPAD设备扫描解密QR码(14)读出原始信息(11)。
7.如权利要求4所述的基于QR码和阵列指纹密钥的光学加密方法，其特征在于，所述第一级Gyrator变换(31)是角度为α1的Gyrator变换，第二级Gyrator变换(32)是角度为α2的Gyrator变换。
8.如权利要求5所述的基于QR码和阵列指纹密钥的光学加密方法，其特征在于，所述第一级Gyrator逆变换(41)是角度为-α1的Gyrator变换，第二级Gyrator逆变换(42)是角度为-α2的Gyrator变换；所述解密随机相位板(R2)为加密随机相位板(R1)的复数共轭。
9.如权利要求3所述的基于QR码和阵列指纹密钥的光学加密方法，其特征在于，所述达曼光栅(26)为一种特定设计的周期性的相位光栅，产生等强度的N×M阵列激光，其中，N和M的数值由达曼光栅的结构决定，N×M阵列激光中的每一束激光对应照射N×M阵列指纹密钥(23)中每一个指纹图像，每一束激光光斑大小和每一个指纹图像的尺寸相匹配；
所述达曼光栅(26)和阵列指纹密钥(23)分别位于傅里叶变换透镜(L1)的前焦面和后焦面。
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