CN107452040A

CN107452040A - 一种基于计算全息的多图像加密装置及算法

Info

Publication number: CN107452040A
Application number: CN201710654228.6A
Authority: CN
Inventors: 张艳雪
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-08-02
Filing date: 2017-08-02
Publication date: 2017-12-08

Abstract

本发明公开了一种基于计算全息的多图像加密装置及算法，包括输入信号面、第一随机相位板、第二随机相位板和输出信号面，且从左到右分别代表输入面、变换面和输出面，本发明能够确保信息安全的情况下清晰的显示图像，光路简单，不需要变换透镜。使用小波变换和菲涅尔双随机相位加密，使得此设计系统具有高并行性和传输性，使用Arnold变换置乱方式的双重加密，大大增加了破解图像的难度，有利于加密全息图的存储和传输。通过实验验证表明，此方法具有良好的鲁棒性，具有很好的加密效果。

Description

一种基于计算全息的多图像加密装置及算法

技术领域

本发明涉及信息传输技术领域，具体为一种基于计算全息的多图像加密装置及算法。

背景技术

计算全息是建立在现代光学和数字计算的基础上的，利用计算机编码制作全息图，可以记录光波的相位和振幅，不要求物体实际存在，只需要把物光波的数学描述输入计算机中进行相应的编码，即可以生成所需的全息图，计算全息的这种特性在信息处理中空间滤波的合成、干涉计量中产生特殊的参考波面，三维虚构物体的显示中具有良好的应用。它克服了当前光学加密解密过程中的对实验设备的以来，使全息加密技术实现实时化。计算全息的制作和在线过程主要通过抽样、计算、编码、成图、再现五个步骤，这种制作过程采用数字定量计算、精度高、抗干扰能力强、噪声小、易于复制等优越性特点。针对二位平面物体计算全息图的生成，从衍射理论的全息图计算方法和基于迭代算法的全息图计算方法研究傅里叶迭代和菲涅耳迭代算法生成全息图成为目前研究计算全息的基础。

小波变换是一种复杂的数学变换，可以对原始图像进行时域和频域上的分解，在数字通信领域，小波变换能够将图像进行多层次的分解，将大部分的能量集中在低频部分引起重视，广泛的应用于图像压缩、分类识别、去除噪声等。

随着社会信息迅猛发展的同时，在网络上涉及到的个人隐私、商业集体利益、国家机密的传输时，容易被不法分子利用和破坏，所以信息传输安全的保密性越来越引起广泛的重视，因此科研工作者相继提了各种各样的加密方案，信息图像的安全传输成为研究的热点。现有的加密主要可以分为量子加密、光学加密和计算全息加密。相对于前两者而言，计算全息不同于量子加密，虽然具有极强的保密性，但是在目前研究现状上受到距离的限制，也不同于光学加密，虽然具有并行处理数据、大信息量的特点，但是对实验硬件要求高，而且光路复杂，易受干扰。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于计算全息的多图像加密装置及算法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于计算全息的多图像加密装置，所述加密装置包括输入信号面、第一随机相位板、第二随机相位板和输出信号面，且从左到右分别代表输入面、变换面和输出面。

优选的，所述第一随机相位板、第二随机相位板分别为exp[j2πδ(x,y)]和 exp[j2πε(α,β)]，δ(x,y)和ε(α,β)是均匀分布在[0,1]上的两个独立白噪声序列，平面之间的距离为Z₁和Z₂；加密过程包括以下步骤：待加密图像为f(x,y)，引入波长为λ的入射光垂直照射，放置第一个随机相位板RPM1紧贴输入平面，出射光首先通过第一个随机相位板RPM1加密，经过距离为Z₁的菲涅尔衍射到达∑₁平面通过RPM2的随机相位板加密，再经过距离为Z₂的菲涅尔衍射到达输出平面∑₂，得到加密图像为g(x,y)。

优选的，加密过程采用如下公式表示，其中Frn代表菲涅尔衍射：

g(x,y)＝Frn{Frn{f(x,y)exp[j2πδ(x,y)]；z1}exp[j2πε(α,β)]；z2}

在菲涅尔衍射的解密过程中，由于菲涅尔变换在光学上不存在，所以取 g(x,y)得共轭来进行解密，g^*(x,y)为g(x,y)的共轭，加密与解密的装置一样，只是方向相反，g^*(x,y)经过两次解密后的图像为：

f(x,y)exp[j2πδ(x,y)]＝Frn{Frn[g^*(x,y)；z2]exp[j2πε(α,β)]；z1}

由于f(x,y)是实函数，所以能够用CCD获得图像的光强|f(x,y)|2。

优选的，还包括Arnold置乱加密，其中，Arnold变换的矩阵表示式为：

(x′,y′)是图像中(x,y)的像素变换后的新的位置，x、y为图像的像素坐标 x、y∈{0,1,2…N-1},N为矩阵的维数，反复的进行此变换，即可得到置乱的图像。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明能够确保信息安全的情况下清晰的显示图像，光路简单，不需要变换透镜。使用小波变换和菲涅尔双随机相位加密，使得此设计系统具有高并行性和传输性，使用Arnold变换置乱方式的双重加密，大大增加了破解图像的难度，有利于加密全息图的存储和传输。通过实验验证表明，此方法具有良好的鲁棒性，具有很好的加密效果。

附图说明

图1为本发明的菲涅尔域双随机相位加密技术光路示意图；

图2为本发明图像加密光路示意图；

图3为本发明仿真实验的原始图像；

图4为本发明初次加密过程中的图像；

图5为本发明二次加密过程中的图像；

图6为本发明二次解密过程中的图像；

图7为本发明的引入方差为0.02高斯噪声的加密图像。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种基于计算全息的多图像加密装置，所述加密装置包括输入信号面、第一随机相位板RPM1、第二随机相位板 RPM2和输出信号面，且从左到右∑、∑₁、∑₂分别代表输入面、变换面和输出面，分别；其中，输入信号为f(x,y)；输出的信号为g(x,y)。

本发明中，第一随机相位板、第二随机相位板分别为exp[j2πδ(x,y)]和exp[j2πε(α,β)]，δ(x,y)和ε(α,β)是均匀分布在[0,1]上的两个独立白噪声序列，平面之间的距离为Z₁和Z₂；加密过程包括以下步骤：待加密图像为f(x,y)，引入波长为λ的入射光垂直照射，放置第一个随机相位板RPM1紧贴输入平面，出射光首先通过第一个随机相位板RPM1加密，经过距离为Z₁的菲涅尔衍射到达∑₁平面通过RPM2的随机相位板加密，再经过距离为Z₂的菲涅尔衍射到达输出平面∑₂，得到加密图像为g(x,y)；加密过程采用如下公式表示，其中Frn代表菲涅尔衍射：

g(x,y)＝Frn{Frn{f(x,y)exp[j2πδ(x,y)]；z1}exp[j2πε(α,β)]；z2}

f(x,y)exp[j2πδ(x,y)]＝Frn{Frn[g^*(x,y)；z2]exp[j2πε(α,β)]；z1}

由于f(x,y)是实函数，所以能够用CCD获得图像的光强|f(x,y)|2。

本发明中，还包括Arnold置乱加密，图像的置乱技术是属于图像的加密技术，它通过对所要加密的图像的像素矩阵的重新排列，破坏图像矩阵的相关性，以此实现对图像信息的加密，达到安全传输图像的目的。单纯使用位置空间的变换来置乱图像，像素的灰度值不会改变，直方图不变，只是几何位置发生了变换。置乱算法的实现过程可以看做是构造映射的过程，该映射是原图的置乱图像的一一映射，如果重复使用此映射，就构成了多次迭代置乱。其中， Arnold变换的矩阵表示式为：

如图2所示，本发明提出的多图像加密算法主要是利用小波变换将多副待加密图像主要能量提取出来，组合成一幅新的图像，再利用菲涅尔双随机相位加密方案对新的图像进行初次加密其中菲涅耳两次衍射的距离和两块随机相位板都可以作为秘钥来使用，最后经过菲涅尔双随机系统加密过后的图像用 Arnold置乱加密，作为二次加密，由于Arnold置乱加密是具有周期性的，其迭代加密的次数也可以作为秘钥来使用。

实验与仿真

图3为四副原始测试图像，像素数都为512pixel×512pixel。

首先分别对四副原始图像进行小波变换，如图4(a)所示，左上角的图像包含了原始图像的低频分量，即图像的主要特征。右上角子图包含图像垂直分量，最下角子图包含图像的水平分量，右下角子图得到图像的对角分量，将其余的冗余分量剔除，只提去图像的低频分量如图4(b)所示。将得到的四副低频分量进行拼接，将得到的拼接图像，作为输入信号如图4(c)所示，通过菲涅尔双随机相位加密系统对其进行初次加密，变换的距离作为一重秘钥，得到初次加密的图像如图4(d)所示。将初次加密后的图像，作为Arnold置乱加密的原始图像进行二次加密，由于Arnold置乱迭代加密具有周期性迭代的次数可以作为二重秘钥来使用，经过90次迭代加密后又恢复为初次加密的图像。最终加密图像选用50次迭代加密图像如图5(b)所示。

在接收端，首先通过正确的二重秘钥进行Arnold置乱逆变换，得到初步的解密图像如图6(a)所示，再利用一重秘钥得到解密图像如图6(b)所示，此时的解密图像与低频拼接的原始图像的峰值信噪比为30.5164。二重秘钥错误得到的解密结果如图6(c)所示，一重秘钥错误得到的解密结果如图6(d)所示。

图像在传输过程中可能会遭受噪声的污染或者损坏，从而造成图像的失真。所以在此情况下，失真过后的图像能否通过解密算法恢复成原始图像，是检验此算法是否能后抗噪声的关键所在。通过对图像引入噪声，来做相应的鲁棒性测试。如图7(a)所示为引入方差为0.02高斯噪声的加密图像，图7 (b)为引入浓度为0.05的椒盐噪声。图7(c)为引入方差为0.02高斯噪声的解密图像，图7(d)引入浓度为0.05的椒盐噪声解密图像。

本发明能够确保信息安全的情况下清晰的显示图像，光路简单，不需要变换透镜。使用小波变换和菲涅尔双随机相位加密，使得此设计系统具有高并行性和传输性，使用Arnold变换置乱方式的双重加密，大大增加了破解图像的难度，有利于加密全息图的存储和传输。通过实验验证表明，此方法具有良好的鲁棒性，具有很好的加密效果。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种基于计算全息的多图像加密装置，其特征在于：所述加密装置包括输入信号面、第一随机相位板RPM1、第二随机相位板RPM2和输出信号面，且从左到右分别代表输入面、变换面和输出面。

2.一种基于计算全息的多图像加密算法，其特征在于：所述第一随机相位板、第二随机相位板分别为exp[j2πδ(x，y)]和exp[j2πε(α，β)]，δ(x，y)和ε(α，β)是均匀分布在[0，1]上的两个独立白噪声序列，平面之间的距离为Z₁和Z₂；加密过程包括以下步骤：待加密图像为f(x，y)，引入波长为λ的入射光垂直照射，放置第一个随机相位板RPM1紧贴输入平面，出射光首先通过第一个随机相位板RPM1加密，经过距离为Z₁的菲涅尔衍射到达∑₁平面通过RPM2的随机相位板加密，再经过距离为Z₂的菲涅尔衍射到达输出平面∑₂，得到加密图像为g(x，y)。

3.根据权利要求2所述的一种基于计算全息的多图像加密算法，其特征在于：加密过程采用如下公式表示，其中Frn代表菲涅尔衍射：

g(x，y)＝Frn{Frn{f(x，y)exp[j2πδ(x，y)]；z1}exp[j2πε(α，β)]；z2}

在菲涅尔衍射的解密过程中，由于菲涅尔变换在光学上不存在，所以取g(x，y)得共轭来进行解密，g^*(x，y)为g(x，y)的共轭，加密与解密的装置一样，只是方向相反，g^*(x，y)经过两次解密后的图像为：

f(x，y)exp[j2πδ(x，y)]＝Frn{Frn[g^*(x，y)；z2]exp[j2πε(α，β)]；z1}

由于f(x，y)是实函数，所以能够用CCD获得图像的光强|f(x，y)|2。

4.根据权利要求2所述的一种基于计算全息的多图像加密算法，其特征在于：还包括Arnold置乱加密，其中，Arnold变换的矩阵表示式为：

<mrow> <mfenced open = "(" close = ")"> <mtable> <mtr> <mtd> <msup> <mi>x</mi> <mo>&prime;</mo> </msup> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msup> <mi>y</mi> <mo>&prime;</mo> </msup> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>=</mo> <mfenced open = "(" close = ")"> <mtable> <mtr> <mtd> <mn>1</mn> </mtd> <mtd> <mn>1</mn> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mn>1</mn> </mtd> <mtd> <mn>2</mn> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mfenced open = "(" close = ")"> <mtable> <mtr> <mtd> <mi>x</mi> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mi>y</mi> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mi>mod</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>N</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

(x′，y′)是图像中(x，y)的像素变换后的新的位置，x、y为图像的像素坐标x、y∈{0，1，2…N-1}，N为矩阵的维数，反复的进行此变换，即可得到置乱的图像。