CN108063881B - 彩色图像的双柱面随机相位编码加解密方法 - Google Patents

彩色图像的双柱面随机相位编码加解密方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种彩色图像的双柱面随机相位编码加解密方法，该方法包括彩色图像加密过程和解密过程。所述方法对彩色图像先转换RGB格式为单通道YCbCr4:2:0格式，然后改进经典的双随机相位编码加密技术，使用柱面相位板代替平面相位板，两次反射接力柱面衍射代替两次连续接力平面衍射，使用两步相移法成像，获得加密密文。解密时采用加密时的共轭相位板和正确的柱面衍射系统参数，进行可逆衍射，便可正确解密单通道图像，通过色彩空间变换，得到恢复的彩色图像。本发明采用单通道YCbCr4:2:0格式加密，降低了加密和传输的数据量，提高了加密效率；利用两次反射接力柱面衍射过程和逆向过程的非对称性，能极大地提高加密方法的安全性，特别是能抵御相位恢复方法的攻击。

Description

彩色图像的双柱面随机相位编码加解密方法
一、技术领域
本发明涉及一种信息安全和信息光学技术领域，特别是彩色图像加密方法。
二、背景技术
双随机相位编码技术和光学干涉理论在彩色图像加密中的应用研究是近年来光学信息安全研究领域中的热点课题。1995年美国的P.Réfrégier和B.Javidi两位专家提出的双随机相位编码技术是光学理论在信息安全领域的重大运用，该技术已获得美国专利保护。但由于该系统存在着线性这一性质，系统的安全性存在极大的隐患。非对称加密方法是最近几年彩色图像加密领域出现的新热点，此类加密方法具有抵抗相位恢复方法攻击的能力。由于柱面计算全息的由内向外传播模型和由外向内传播模型可以看作为非对称的衍射过程，柱面衍射过程作为非对称加密，在彩色图像加密领域具有极大的潜力和优势。
三、发明内容
本发明针对上述双随机相位编码的加密技术由于线性性质导致的加密系统安全隐患，利用两次反射接力柱面衍射过程和逆向过程的非对称性，提出一种彩色图像的双柱面随机相位编码加解密方法，能极大地提高彩色图像加密的安全性，特别是能抵御相位恢复方法的攻击。该方法包括加密和解密两个过程分别如图1(a)和1(b)所示。本发明所述的加密过程由单通道变换模块，双柱面随机相位编码模块，和两步相移法成像模块来完成。所述的解密过程是加密过程的逆过程，由两步相移法重建模块，双柱面随机相位编码逆过程模块，和单通道逆变换模块来完成。
本发明所述的加密过程为：单通道变换模块将RGB彩色图像格式转换为有利于网络传输和压缩的YCbCr格式，对色度分量进行降低采样率的处理，得到YCbCr4:2:0格式，同时将YCbCr分量排列成一个扩展通道进行加密；双柱面随机相位编码模块改进了经典的双随机相位编码加密技术，使用柱面相位板代替平面相位板，两次反射接力柱面衍射代替两次连续接力平面衍射；两步相移法成像模块使用两步相移法成像，获得加密密文。
本发明所述的单通道变换模块由普通的计算机组成，该模块进行彩色图像的预处理和随机性板的生成，彩色图像的预处理过程如图2所示，分为两步：
第一步，将RGB的彩色图像转化为YCbCr空间，计算公式为：
第二步，将色度分量Cb和Cr的采样率在水平和垂直方向上各降低一半，变为YCbCr4∶2∶0格式。同时，将Cb和Cr分量垂直拼接，再与Y分量在水平方向拼接，形成单通道信号，输入到加密模块。
本发明所述的双柱面随机相位编码模块是由两次反射接力柱面衍射和分别位于输入面和第一个反射柱面的双柱面随机相位板组成，包括以下两步：
第一步，待加密的彩色图像转化为的单通道信号经过激光照明转化为物光波(u0)，首先被位于第一个内反射柱面的第一个柱面随机相位板(M1)编码，反射后结果记为u1，经过一次距离为d1、由外向内传播模型的柱面衍射，到达另一个外反射柱面，其波前记为u2，具体计算过程表示为：
u1＝(u0×M1)*，M1＝exp(2πi×R1)，u2＝FrOIP(u1，d1)， (2)
其中R1为随机相位矩阵，i为虚数单位，*表示共轭，即反射过程。FrOIP(·)表示由外向内传播模型的柱面衍射，计算公式为：
其中(θR，zR)和(θr，zr)为内反射柱面和外反射柱面的角度和高度方向坐标，r、R为内外柱面的半径，C为常数，d为内外柱面上任意2点间的距离。
第二步，衍射波前u2被位于第二个外反射柱面的第二个柱面随机相位板(M2)编码，反射后的光场记为u3，经过一次距离为d2、由内向外传播模型的柱面衍射，到达另一个柱面记录面，其波前记为u4，计算具体过程表示为：
u3＝(u2×M2)*，M2＝exp(2πi×R2)，u4＝FrOIP(u3，d1)， (4)
其中R2为随机相位矩阵，FrIOP(·)表示由内向外传播模型的柱面衍射，计算公式为：
本发明所述的两步相移法成像模块通过光探测器CCD获取衍射光波与两种参考光R0和R1形成的干涉条纹振幅，即全息图密文H1和H2，其计算方法是：H1＝|R0+u4|2，H2＝|R1+u4|2。
本发明所述的解密过程是加密过程的逆过程，由两步相移法重建模块、双柱面随机相位编码逆过程模块、单通道逆变换模块来完成。
两步相移法重建模块为光场u4的重建过程，结果为u4'。具体过程为：先计算出干涉时的零级光I0，具体计算公式为：
并且满足条件2R1≧max(|u4|)+min(|u4|)，则重建的光场u4'为：
双柱面随机相位编码逆过程模块为单通道图像u0的解密过程，结果为u0'。具体过程是：重建的光场u4'经过FrIOP(·)的逆衍射过程IFrIOP(·)，并被共轭相位板M2*编码，然后经过FrOIP(·)的逆衍射过程IFrOIP(·)，并被共轭相位板M1*编码，形成解密的图像u0'，其计算过程为：
单通道逆变换模块为彩色图像的恢复过程：先将色度分量从4:2:0格式恢复为4:4:4格式，采用直接复制法；然后将图像从YCbCr空间变换到RGB空间，变换公式为，
至此，彩色图像解密完成。
本发明的有益效果在于：采用了单通道YCbCr4:2:0格式加密，降低了加密和传输的数据量，提高了加密效率；具备非对称加密系统良好的抗攻击能力，抵御相位恢复方法这种特殊的攻击效果特别明显；秘钥个数多且敏感性强，秘钥空间大，安全性好。
四、附图的说明
附图1为本发明的加密和解密流程图，1(a)加密，1(b)解密。
附图2为彩色图像预处理过程示意图。
附图3为本发明的双柱面随机相位编码方法的光学实现示意图。
附图4(a)待加密的彩色“Lena”(512×512)；(b)单通道YCbCr4:2:0格式拼接图；(c)全息图密文H1；(d)全息图密文H2；(e)解密的单通道YCbCr4:2:0图像；(f)解密的彩色图像。
上述附图3中的图示标号为：
101：激光器，102：激光扩束镜，103：透镜L1，104：平面反光镜M1，105：分光棱镜BS1，106：相移半波片PZT，107：分光棱镜BS2，108：平面反光镜M2，109：内柱面反光器，110：随机相位板掩膜RPM1，111：随机相位板掩膜RPM2，112：外柱面反光器，113：光探测器CCD，114：计算机，115：显示器。
注：上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。
五、具体实施方式
下面详细说明本发明彩色图像的双柱面随机相位编码加密方法的一个典型实施例，对本发明进行进一步的具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
本发明提出彩色图像的双柱面随机相位编码加解密方法，该方法包括加密和解密两个过程。所述的加密过程，由单通道变换模块，双柱面随机相位编码模块，和两步相移法成像模块来完成。所述的解密过程是加密过程的逆过程，由两步相移法重建模块，双柱面随机相位编码逆过程模块，和单通道逆变换模块来完成。
本实施例的加密过程由单通道变换模块、激光照明光源与参考光模块、双柱面随机相位编码模块、两步相移成像模块组成并实现，如附图3所示，包括：激光器，激光扩束镜，透镜L1，平面反光镜M1，分光棱镜BS1，相移半波片PZT，分光棱镜BS2，平面反光镜M2，内柱面反光器，随机相位板掩膜RPM1，随机相位板掩膜RPM2，外柱面反光器，光探测器CCD，计算机，显示器。激光器，激光扩束镜，透镜L1，平面反光镜M1，分光棱镜BS1，相移半波片PZT，分光棱镜BS2和平面反光镜M2构成激光照明光源与参考光模块，参考光通过相移半波片PZT提供相位改变为π/2的两种参考光R0和R1。所述的光学元器件排列顺序如图3所示，物光波和参考光的光程差应该相等，柱面反射镜的倾斜角度应该等于两个柱面反射镜夹角的一半，以保证内柱面反射镜的入射光束和外柱面反射镜的反射光束平行。
本发明的实例中，参数H、r、R1、R2分别设定为5mm、1mm、60mm、65mm。波长λ为842nm。垂直轴向的采样数为512，采样间隔则为5/512mm。圆周轴向的只取π/10柱面，采样点数也是768，采样间隔则为π/(10×768)。
本发明所述的单通道变换模块由普通的计算机组成，该模块进行彩色图像的预处理和随机性板的生成，彩色图像的预处理过程如图2所示，分为两步：
第一步，将RGB的彩色图像转化为YCbCr空间，计算公式为：
第二步，将色度分量Cb和Cr的采样率在水平和垂直方向上各降低一半，变为YCbCr4:2:0格式。同时，将Cb和Cr分量垂直拼接，再与Y分量在水平方向拼接，形成单通道信号，输入到加密模块。
本发明所述的双柱面随机相位编码模块是由两次反射接力柱面衍射和分别位于输入面和第一个反射柱面的双柱面随机相位板组成，包括以下两步：
第一步，待加密的彩色图像如图4(a)所示，经过变换的单通道图像如图4(b)所示，经过激光照明转化为物光波(u0)，首先被位于第一个内反射柱面的第一个柱面随机相位板(M1)编码，反射后结果记为u1，经过一次距离为d1、由外向内传播模型的柱面衍射，到达另一个外反射柱面，其波前记为u2，具体计算过程表示为：
u1＝(u0×M1)*；M1＝exp(2πi×R1)，u2＝FrOIP(u1，d1)， (2)
其中R1为随机相位矩阵，i为虚数单位，*表示共轭，即反射过程。FrOIP(·)表示由外向内传播模型的柱面衍射，计算公式为：
其中(θR,zR)和(θr,zr)为内反射柱面和外反射柱面的角度和高度方向坐标，r、R为内外柱面的半径，C为常数，d为内外柱面上任意2点间的距离。
第二步，衍射波前u2被位于第二个外反射柱面的第二个柱面随机相位板(M2)编码，反射后的光场记为u3，经过一次距离为d2、由内向外传播模型的柱面衍射，到达另一个柱面记录面，其波前记为u4，计算具体过程表示为：
u3＝(u2×M2)*，M2＝exp(2πi×R2)，u4＝FrOIP(u3，d1)， (4)
其中R2为随机相位矩阵，FrIOP(·)表示由内向外传播模型的柱面衍射，计算公式为：
本发明所述的两步相移法成像模块通过光探测器CCD获取衍射光波与两种参考光R0和R1形成的干涉条纹振幅，即全息图密文H1和H2，其计算方法是：H1＝|R0+u4|2，H2＝|R1+u4|2,其结果如图4(c)和(d)所示。
本发明所述的解密过程是加密过程的逆过程，如图1(b)所示，包括两步相移法重建模块，双柱面随机相位编码逆过程模块，和单通道逆变换模块。
两步相移法重建模块为光场u4的重建过程，结果为u4'。具体过程为：先计算出干涉时的零级光I0，具体计算公式为：
并且满足条件2R1≧max(|u4|)+min(|u4|)，则重建的光场u4'为：
双柱面随机相位编码逆过程模块为单通道图像u0的解密过程，结果为u0'。具体过程是：重建的光场u4'经过FrIOP(·)的逆衍射过程IFrIOP(·)，并被共轭相位板M2*编码，然后经过FrOIP(·)的逆衍射过程IFrOIP(·)，并被共轭相位板M1*编码，形成解密的图像u0'，其计算过程为：
得到的单通道解密图如图4(e)。
单通道逆变换模块为彩色图像的恢复过程：先将色度分量从4:2:0格式恢复为4:4:4格式，优先地，采用直接复制法；然后将图像从YCbCr空间变换到RGB空间，变换公式为
至此，彩色图像解密完成。只有在随机相位板M1和M2，以及柱面加密系统的参数(高度、内径和外径)秘钥正确的情况下，才能够得到如图4(f)所示的正确解密结果。

Claims (1)

1.一种彩色图像的双柱面随机相位编码加解密方法，其特征在于，所述的方法对彩色图像先转换RGB格式为单通道YCbCr4∶2∶0格式，然后改进经典的双随机相位编码加密技术，使用柱面相位板代替平面相位板，两次反射接力柱面衍射代替两次连续接力平面衍射，使用两步相移法成像，获得加密密文；解密时采用加密时的共轭相位板和正确的柱面衍射系统参数，进行可逆衍射，便可正确解密单通道图像，通过色彩空间变换，得到恢复的彩色图像；该方法包括加密和解密两个过程，加密过程由单通道变换模块，双柱面随机相位编码模块，和两步相移法成像模块来完成；解密过程是加密过程的逆过程，由两步相移法重建模块，双柱面随机相位编码逆过程模块，和单通道逆变换模块来完成；在加密过程中，单通道变换模块将RGB彩色图像格式转换为有利于网络传输和压缩的YCbCr格式，对色度分量进行降低采样率的处理，得到YCbCr4∶2∶0格式，同时将YCbCr分量排列成一个扩展通道进行加密；双柱面随机相位编码模块改进了经典的双随机相位编码加密技术，使用柱面相位板代替平面相位板，两次反射接力柱面衍射代替两次连续接力平面衍射；两步相移法成像模块使用两步相移法成像，获得加密密文；所述的单通道变换模块由普通的计算机组成，该模块进行彩色图像的预处理和随机性板的生成，彩色图像的预处理过程分为两步：第一步，将RGB的彩色图像转化为YCbCr空间，计算公式为：第二步，将色度分量Cb和Cr的采样率在水平和垂直方向上各降低一半，变为YCbCr4∶2∶0格式，同时，将Cb和Cr分量垂直拼接，再与Y分量在水平方向拼接，形成单通道信号，输入到加密模块；所述的双柱面随机相位编码模块是由两次反射接力柱面衍射和分别位于输入面和第一个反射柱面的双柱面随机相位板组成，包括以下两步：第一步，待加密的彩色图像转化为的单通道信号经过激光照明转化为物光波(u0)，首先被位于第一个内反射柱面的第一个柱面随机相位板(M1)编码，反射后结果记为u1，经过一次距离为d1、由外向内传播模型的柱面衍射，到达另一个外反射柱面，其波前记为u2，具体计算过程表示为：u1＝(u0×M1)*，M1＝exp(2πi×R1)，u2＝FrOIP(u1，d1)，其中R1为随机相位矩阵，i为虚数单位，*表示共轭，即反射过程；FrOIP(·)表示由外向内传播模型的柱面衍射，计算公式为：
其中(θR，zR)和(θr，zr)为内反射柱面和外反射柱面的角度和高度方向坐标，r、R为内外柱面的半径，C为常数，d为内外柱面上任意2点间的距离；第二步，衍射波前u2被位于第二个外反射柱面的第二个柱面随机相位板(M2)编码，反射后的光场记为u3，经过一次距离为d2、由内向外传播模型的柱面衍射，到达另一个柱面记录面，其波前记为u4，计算具体过程表示为：
u3＝(u2×M2)*，M2＝exp(2πi×R2)，u4＝FrOIP(u3，d1)，其中R2为随机相位矩阵，FrIOP(·)表示由内向外传播模型的柱面衍射，计算公式为：
所述的两步相移法成像模块通过光探测器CCD获取衍射光波与两种参考光R0和R1形成的干涉条纹振幅，即全息图密文H1和H2，其计算方法是：H1＝|R0+u4|2，H2＝|R1+u4|2；在解密过程中，所述的两步相移法重建模块为光场u4的重建过程，结果为u4′， 具体过程为：先计算出干涉时的零级光I0，具体计算公式为：
并且满足条件2R1≥max(|u4|)+min(|u4|)，则重建的光场u4′为：所述的双柱面随机相位编码逆过程模块为单通道图像u0的解密过程，结果为u0′，具体过程是：重建的光场u4′经过FrIOP(·)的逆衍射过程IFrIOP(·)，并被共轭相位板M2*编码，然后经过FrOIP(·)的逆衍射过程IFrOIP(·)，并被共轭相位板M1*编码，形成解密的图像u0′，其计算过程为：所述的单通道逆变换模块为彩色图像的恢复过程，其中色度分量从4∶2∶0到4∶4∶4格式的恢复采用直接复制法，从YCbCr空间到RGB空间的变换公式为彩色图像解密完成。
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