CN107564074A - 基于行复用压缩鬼成像与异或运算的光学图像加密方法 - Google Patents

Abstract

一种基于行复用压缩鬼成像与异或运算的光学图像加密方法，包括光学信息加密和计算解密两个过程，加密者将多幅图像通过整数型小波变换将待压缩图像稀疏化并置乱，置乱图像通过异或运算整合到一幅异或图像；异或图像通过改进的行复用压缩感知框架压缩为密文图像，密文将会以公开方式发布；压缩过程中会相应生成置乱密钥、异或密钥和测量密钥，将会被秘密地分发给不同的接收者；接收者收到密钥后依次利用测量密钥、异或密钥和置乱密钥恢复出异或图像、置乱图像和稀疏图像；最后通过反小波变换获得明文图像。该方法改进了压缩感知光学实现过程，减少了密钥空间冗余，实现了多幅图像同时加密分开解密，有效增强了加密系统的加密容量，提高了安全性。

Description

基于行复用压缩鬼成像与异或运算的光学图像加密方法

技术领域

本发明涉及一种基于行复用压缩鬼成像与异或运算的光学多幅图像加密方法，属于图像加密技术领域。

背景技术

近年来，基于光学信息处理的图像加密技术引起人们的广泛关注。由于光学信息处理技术所具备的并行数据处理能力、多维的编码自由度以及巨大的密钥空间等天然优势，被各国学者认为是新一代的信息安全技术。

压缩感知作为近几年一项新兴的压缩采集技术，能够实现对信号的同时采样和压缩编码，在信号处理、图像采集领域得到了广泛的研究。又因其可以被便捷地采用鬼成像的架构光学实现，逐渐被应用到光学信息安全领域。

但是，目前广泛研究的基于压缩鬼成像的光学信息安全方案，具有一些先天的缺陷。首先，基于压缩感知原理的鬼成像需要一系列的测量矩阵，这使得加密系统在密钥存储、分发过程中消耗大量的存储和网络带宽。其次，光学加密方式更多的是在变换域操作，而快速傅立叶变换(FFT)、离散余弦变换(DCT)等变换在变换域往往是以实数分布，受限于光学器件的精度，这将会造成非常大的信息损失。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于行复用压缩鬼成像与异或运算的光学图像加密方法，该方法改进了压缩鬼成像的光学架构，采用行复用的方法依次成像，减少了传统光学加密中的密钥信息冗余，在保证安全性的情况下使密钥分发存储更加便捷高效；采用整数型小波变换作为压缩感知中的稀疏基，减少了光学过程中的信息损失，也为异或运算提供了数学基础；采用异或算法，将多幅图像异或到一幅图像压缩，一方面提高了基于压缩感知的光学加密系统的压缩容量，一次加密可以实现分别解密；另一方面由于额外的异或密钥的引入，也进一步增强了系统的安全等级。

本发明的基于行复用压缩鬼成像与异或运算的光学图像加密方法，包括光学信息加密和计算解密两个过程：

(1)光学信息加密过程：加密者将所要待加密的信息各自以图像的形式存储，将待加密的图像采用整数型小波变换变换到小波域并稀疏化，得到稀疏图像；将稀疏图像置乱并异或到同一幅异或图像中，同时生成相应的置乱密钥和异或密钥；将异或图像置于行复用压缩鬼成像的物面，采用二值随机矩阵作为测量密钥对其进行压缩成像得到光强序列；加密者将光强序列作为密文公布，将置乱密钥、异或密钥和测量密钥作为密钥组以秘密的方式发送给授权接收者；

(2)计算解密过程：授权接收者首先将接收到的密文与测量密钥采用压缩感知重构算法计算得到异或图像，异或图像与异或密钥依次获得各个置乱图像，置乱图像与置乱密钥依次解密并对结果进行反小波变换，即获得解密信息。

所述光学信息加密过程，具体包括以下步骤：

(1)加密者将待加密的信息各自以图像的形式承载，记为I_i，下标i代表图像计数，i∈[1:n]，并将一系列图像分别进行整数型离散小波变换得到变换图像，并对变换图像选择合适的稀疏阈值进行稀疏化；

(2)分别将系列稀疏化后的图像中的非零元素随机置乱到相同的索引位置，得到系列置乱图像，记为S_i，并建立与置乱图像对应反置乱的索引矩阵作为置乱密钥，记为SK_i；

(3)将置乱图像S_i异或在一起获得异或图像X，即

(4)分别对不同的置乱图像，按照生成不同的异或密钥XK_i；

(5)将异或图像X放于行复用压缩鬼成像的物面上，采用二值随机矩阵作为测量密钥MK，对其进行压缩成像，探测输出面光强信息，得到压缩结果；

(6)将压缩结果作为密文公开发布，将置乱密钥、异或密钥和测量密钥依据不同的加密信息，发送给不同的信息接收者。

所述计算解密过程，具体包括以下步骤：

(1)信息接收者在获得密文与密钥后首先使用密文和测量密钥经过压缩感知重构算法重构出异或图像X；

(2)采用自己获得的异或密钥XK_i，通过恢复获得相应的置乱图像S_i；

(3)采用恢复的置乱图像S_i与对应的置乱密钥SK_i解密获得稀疏图像；

(4)将获得的稀疏图像进行反小波变换，即获得解密后的密文图像。

本发明具有以下特点：

(1)改进了压缩感知的光学实现框架，采用行复用的方式，在保证安全性的情况下，有效降低了密钥空间冗余；

(2)采用整数型的小波变换，有效降低了在光学系统中由器件限制导致的信息损失；

(3)引入异或算法，进行多幅图像加密，每个图像具有不同的置乱密钥与异或密钥，可以实现同一密文，不同用户分别解密，有效增加了系统的加密容量。

附图说明

图1是本发明中光学加密过程的原理示意图。

图2是六幅待加密的明文图像。

图3是小波变换稀疏化后的六幅稀疏图像。

图4是置乱后的六幅置乱图像。

图5是随机测量密钥。

图6是六幅置乱图像异或后的异或图像。

图7是六幅对应的异或密钥。

图8是加密后的密文图像。

图9是本发明中计算解密过程的流程图。

图10是六幅解密后的图像。

具体实施方式

本发明包括光学加密和计算解密两个过程，其中图1给出了光学加密过程的原理，图9是给出了计算解密过程的流程图。

如图1，以加密六幅图像为例，光学加密过程的详细过程如下：

(1)图2为六幅存有不同信息的待加密的图像，记为I_i(i∈[1:6])，其大小为N×N。加密者将上述待加密的六幅图像依次进行整数型小波变换，将图像变换到小波域，选取合适的阈值，使小波域的图像中小于该阈值的所有系数置为0，则剩下所有不为0的系数的数目为该图像的稀疏度，记为K，每一幅图像选取不同的小波系数，以使稀疏化后的图像稀疏度大致相等，继而得到六幅稀疏图像，图3给出了小波变换稀疏化后的六幅稀疏图像。

(2)随机生成一个与图像等大小的随机序列，按照所有图像稀疏度最大值K_max为参照，截取序列前K_max个，分别将每个稀疏图像中非0的系数置乱到以序列值为指向的位置，进而生成置乱图像。建立从置乱图像到稀疏图像的位置索引矩阵，记为置乱密钥SK。图4给出了六幅置乱图像。

(3)随机生成二值随机矩阵作为测量密钥。图5为随机二值矩阵作为测量密钥。测量密钥的列数同为N，行数M与K_max有关，这里取M＝2×K_max/N。

(4)将六幅置乱图像按照的方式异或到同一个异或图像中，得到异或图像X，另外分别按照生成六幅异或密钥XK。图6给出了六幅异或图像，图7给出了对应的六幅异或密钥。

(5)将异或图像上载到物面的空间光调制器SLM₂上，依次将测量密钥的每一行扩展N份，组成新的N×N矩阵上载到第一个空间光调制器SLM₁上，每次上载，输出平面上的探测器便会获得一组大小为1×N的光强数组，将测量密钥所有的M行上载完之后会便会获得M×N大小的光强矩阵，即压缩后获得的密文，见图8。

(6)加密者将密文公开发送，根据不同的加密信息，分别将测量密钥，异或密钥，置乱密钥发给不同的接收者。

如图9，本发明中计算解密过程的具体步骤如下：

(1)信息接收者在接到密钥与密文之后，首先使用测量密钥与密文，采用压缩感知重构算法恢复出压缩之前的异或图像。

(2)将恢复出的异或图像结合获得的异或密钥，采用的方式，异或得到对应的置乱图。

(3)将异或得到的置乱图像参照置乱密钥中的索引关系，将置乱图像按照新的索引关系复位，即可获得稀疏图像。

(4)将稀疏图像进行反小波变换，便可以得到对应的明文图像。图10给出了计算恢复获得的6幅明文图像。

本发明改进了传统压缩感知光学实现方式，采用行复用的方式实现了并行计算，有效降低压缩感知加密系统中的测量密钥冗余；采用整数型小波变换，减少了变换域压缩过程中由光学器件精度造成的数据损失；结合异或操作，一次光学加密过程可以同时加密多幅图像，在恢复过程中采用不同的密钥恢复获得不同的明文图像，有效增加了加密系统的加密容量，一次加密可对应不同的解密结果，增加了系统的复用能力；在光学信息安全领域有着广泛的应用前景。

Claims (3)

1.一种基于行复用压缩鬼成像与异或运算的光学图像加密方法，其特征是，包括光学信息加密和计算解密两个过程：

(1)光学信息加密过程：加密者将所要待加密的信息各自以图像的形式存储，将待加密的图像采用整数型小波变换变换到小波域并稀疏化，得到稀疏图像；将稀疏图像置乱并异或到同一幅异或图像中，同时生成相应的置乱密钥和异或密钥；将异或图像置于行复用压缩鬼成像的物面，采用二值随机矩阵作为测量密钥对其进行压缩成像得到光强序列；加密者将光强序列作为密文公布，将置乱密钥、异或密钥和测量密钥作为密钥组以秘密的方式发送给授权接收者；

(2)计算解密过程：授权接收者首先将接收到的密文与测量密钥采用压缩感知重构算法计算得到异或图像，异或图像与异或密钥依次获得各个置乱图像，置乱图像与置乱密钥依次解密并对结果进行反小波变换，即获得解密信息。

2.根据权利要求1所述的基于行复用压缩鬼成像与异或运算的光学图像加密方法，其特征是，所述光学信息加密过程，具体包括以下步骤：

(1)加密者将待加密的信息各自以图像的形式承载，记为I_i，下标i代表图像计数，i∈[1:n]，并将一系列图像分别进行整数型离散小波变换得到变换图像，并对变换图像选择合适的稀疏阈值进行稀疏化；

(2)分别将系列稀疏化后的图像中的非零元素随机置乱到相同的索引位置，得到系列置乱图像，记为S_i，并建立与置乱图像对应反置乱的索引矩阵作为置乱密钥，记为SK_i；

(3)将置乱图像S_i异或在一起获得异或图像X，即

(4)分别对不同的置乱图像，按照生成不同的异或密钥XK_i；

(5)将异或图像X放于行复用压缩鬼成像的物面上，采用二值随机矩阵作为测量密钥MK，对其进行压缩成像，探测输出面光强信息，得到压缩结果；

(6)将压缩结果作为密文公开发布，将置乱密钥、异或密钥和测量密钥依据不同的加密信息，发送给不同的信息接收者。

3.根据权利要求1所述的基于行复用压缩鬼成像与异或运算的光学图像加密方法，其特征是，所述计算解密过程，具体包括以下步骤：

(1)信息接收者在获得密文与密钥后首先使用密文和测量密钥经过压缩感知重构算法重构出异或图像X；

(2)采用自己获得的异或密钥XK_i，通过恢复获得相应的置乱图像S_i；

(3)采用恢复的置乱图像S_i与对应的置乱密钥SK_i解密获得稀疏图像；

(4)将获得的稀疏图像进行反小波变换，即获得解密后的密文图像。