CN109285107B - 一种基于小凹系统的局部光学加解密系统 - Google Patents

一种基于小凹系统的局部光学加解密系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于小凹系统的局部光学加解密系统，包括加密系统和解密系统，其中，加密系统包括成像物镜模块、像素置换模块、小凹模块和加密图像采集模块；解密系统包括图像输入模块、分光模块、多离焦图像采集模块和图像处理模块；本发明能够克服现有光学加密系统实用性差的问题，利用小凹系统的光学系统参数做加密秘钥实现实用性强的光学加密功能。

Description

一种基于小凹系统的局部光学加解密系统
技术领域
本发明属于光学加密的技术领域，具体涉及一种基于小凹系统的局部光学加解密系统。
背景技术
自1995年以来，出现了多种光学加密系统，如双随机相位编码技术、分数傅里叶变换光学加密技术、菲涅尔域光学加密技术等等。得到最广泛讨论的便是双随机相位编码技术，它是光学加密的基本系统模型。其主要基于光学领域的4f系统，通过两个透镜的傅里叶变换作用实现空间域和频谱域的变换，并分别在空间域和频谱域使用随机相位板对明文进行加密。后续的系统多是在其基础上实现密钥空间的扩展以提高安全性，但是就目前来说此方面研究仍然停留在试验阶段，实用性差，器件昂贵，难以推广。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于小凹系统的局部光学加解密系统，能够克服现有光学加密系统实用性差的问题，利用小凹系统的光学系统参数做加密秘钥实现实用性强的光学加密功能。
一种基于小凹系统的局部光学加解密系统，包括加密系统和解密系统，其中，加密系统包括成像物镜模块、像素置换模块、小凹模块和加密图像采集模块；解密系统包括图像输入模块、分光模块、多离焦图像采集模块和图像处理模块；
成像物镜模块将待加密场景成像；
像素置换模块将待加密场景的图像进行像素置换得到随机分布的图像；
小凹模块通过改变小凹模块所处的通光孔径区域内的局部焦距从而将置换后的图像分成原始放大区域、局部放大区域和原始放大区域与局部放大区域之间环状的放大率突变区域，所述放大率突变区域的图像即为密文图像；
加密图像采集模块将密文图像采集、保存并传输给解密系统的图像输入模块；
图像输入模块接收并显示密文图像；
分光模块根据放大率突变区域内光线的离焦范围将密文图像的光束进行两路以上分光，每束光在不同离焦处进行聚焦；
多离焦图像采集模块在不同离焦位置采集密文图像，并传递给图像处理模块；
图像处理模块利用相位差异算法根据图像输入模块的光学参数和密文的各离焦位置图像还原得到放大率突变区域的像素置换图像，然后将放大率突变区域的像素置换图像、原始放大区域的像素置换图像以及局部放大区域的像素置换图像合成并还原得到原始场景图像。
进一步地，像素置换采用Arnold方法。
进一步地，像素置换模块通过二元光学元件或者透射式空间光调制器实现。
进一步地，加密图像采集模板通过探测器实现。
进一步地，小凹模块通过透射式空间光调制器实现。
进一步地，小凹模块的参数包括透射式空间光调制器中透镜间距、透镜各面曲率、口径和放大率。
进一步地，利用相位差异算法得到放大率突变区域的像素置换图像的过程为：估计密文图像的初始相位，利用图像输入模块的光学参数获得图像输入模块的光学系统脉冲响应，利用所述脉冲响应得到初始相位在不同离焦位置的复振幅信息，取其中的相位信息和分光采集得到的离焦面振幅信息得到新的复振幅信息，再利用新的复振幅信息和光学系统脉冲响应的共轭得到密文的新的初始相位，此即为一次迭代过程，对初始相位不断迭代，利用最终的初始相位与密文图像得到的复振幅信息，以该复振幅信息乘以光学系统脉冲响应得到密文图像的像的复振幅信息，取其振幅即得到放大率突变区域的像素置换图像。
有益效果：
1、本发明在光学信息加密的过程中，采用了使用光学参数作为加密秘钥的方式，能够省去制作秘钥的过程，同时将光学设计和光学加密结合起来，实现了一套安全性高的光学加解密系统。
2、本发明在加密过程中使用了计算机图像加密中的Arnold变换方法，但是传统方法只局限于软件实现，本方案采取硬件实现方案，通过设计合理的二元光学元件或者透射式空间光调制器均可以实现，实现了Arnold变换的硬件实现。
3、本发明通过合理的多路光路分配，实现了多位置同时采集，可以提高多离焦位置还原的实时性。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图；
图2为加密系统结构原理图。
图3为解密系统结构原理图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
小凹系统是可以实现局部高分辨的光学系统，具有小凹边缘信息隐藏的特点，本发明利用此特点构建光学加密系统。通过小凹系统将光学系统参数做加密秘钥，并且将光学加密和光学设计理论建立联系。
一种基于小凹系统的局部光学加解密系统，如图1所示，包括加密系统和解密系统，其中，加密系统包括成像物镜模块、像素置换模块、小凹模块和加密图像采集模块；解密系统包括图像输入模块、分光模块、多离焦图像采集模块和图像处理模块；
如图2所示，在加密系统中，成像物镜模块将待加密场景成像；
像素置换模块将待加密场景的图像进行像素置换得到随机分布的图像，之所以需要进行像素置换是因为包含信息的原始明文图像内存在线性关系，在传统光学加密系统中可以通过脉冲函数实现攻击，而置换操作可以将图像置换成随机分布的图像增加加密系统的非线性，常用的置换方法有Arnold方法，实现手段可以通过设计二元光学元件或者空间光调制器(SLM)调制，以提高系统的安全性。
小凹模块以透射式空间光调制器(SLM)作为核心器件，通过改变小凹模块所处的通光孔径区域内的局部焦距从而将置换后的图像分成原始放大区域、局部放大区域和放大率突变区域，局部放大区域为经过小凹系统选定的孔径范围的区域，其他未经过局部放大、包围局部放大区域的部分为原始放大区域，在二者交界处的环带区域，由于放大率的突变，产生了信息压缩，环带区域为放大率突变区域，且经过此区域的光线聚焦于离焦位置。
本方案实现局部加密所用就是放大率突变区域，由于原始放大率区域和放大区域的压缩，经过放大率突变区域的光线实际聚焦在离焦位置处，因而在探测器上是散斑，所以导致图像被“隐藏”，可以将像素置换模块得到的图像进一步做信息隐藏处理，与传统光学加密不同之处在于小凹的设计参数作为光学加密的秘钥。
加密图像采集模块主要由探测器构成，用于将小凹模块处理后的图像信息，即密文图像信息采集、保存并传输给解密系统的图像输入模块。
如图3所示，解密系统中，图像输入模块接收并显示密文图像；其中，图像输入模块与成像物镜模块的光学参数一致，如焦距、视场、放大率等。
分光模块就是将密文图像的光束分两路以上的光，每束光聚焦至不同位置并被位于多离焦位置的探测器接收，图3就是两路分光的示意图。如前所述放大率突变区域将光线聚焦到不同离焦处，为实现不同离焦位置的探测可以通过移动同一探测器至不同离焦位置获取各离焦图像，也可以通过分光路方式同时采集，因为考虑到解密过程的实时性，所以采取分光方式。
多离焦图像采集模块通过探测器在不同离焦位置采集各分光光路中的密文图像，并传递给图像处理模块；
图像处理模块了解加密的方式并且拥有加密的参数，利用相位差异算法根据小凹模块的参数和各离焦位置图像还原得到像素置换图像，然后利用Arnold变换的周期性质将像素置换图像还原成待加密场景图像。
相位差异算法是一种常用的相位恢复算法，在利用其进行相位信息恢复的过程中，首先估计初始相位，根据光学系统参数计算光学系统脉冲响应，利用初始相位和系统脉冲响应计算得到估计相位的离焦位置的复振幅信息，并以真实采集得到的离焦图像作为振幅约束，对估计相位不断迭代，最终得到相位信息。
在本发明中，密文图像由探测器采集，密文图像会丢失相位信息，并且放大率突变区域的光线聚焦至不同离焦位置，所以可以使用相位差异算法进行相位信息恢复，首先估计一个密文图像的初始相位，根据图像输入模块的光学参数计算不同离焦位置的衍射光场，得到该衍射光场就相当于获得了图像输入模块的光学系统脉冲响应，进而得到初始相位在不同离焦位置的复振幅信息，分离出复振幅信息中的相位信息，并将分光采集得到的离焦面振幅信息合成为完整的放大率突变的环带区域图像，以合成后的图像作为振幅约束，利用振幅约束和分离出的相位信息合成得到新的复振幅信息，再利用新的复振幅信息和光学系统脉冲响应的共轭得到密文的新的初始相位，此为一次迭代过程，对初始相位不断迭代，最终得到密文图像的复振幅信息，将密文图像的复振幅信息乘以光学系统脉冲响应得到密文图像的像的复振幅信息，取其振幅即得到放大率突变区域的像素置换图像。
从密码学角度出发，整个系统中秘钥空间为小凹的光学参数，如果需要还可增加成像物镜模块的光学参数，这些光学参数决定了突变区域的大小、离焦位置、三个区域(原始放大区域、局部放大区域和放大率突变区域)的相对位置、放大率大小等信息，理论上光学系统的设计是无穷多种可能的，所以密钥空间无穷大，而根据密码学和信息论，这样的系统穷举攻击是不可实现的，具有语义安全。所以本方案实现了一套对应的加密解密系统使用中的绝对安全。这些光学参数包括透镜口径、曲率、放大率、透镜间距等参数，如果引入非球面将引入更多参数，进一步扩大秘钥空间。整个系统的加密系统部分应属于加密信息发出者，解密系统部分属于加密信息接受者。不同于传统光学加密系统的方案，不需要制作随机相位板，对于图像容偏性好，直接利用加密系统的光学特性作为加密秘钥，整个系统不需要全息干板对密文图像进行记录。
实施例1
本实施例中，成像物镜模块通过合理设计的成像物镜镜头实现，其焦距、F数等光学参数依具体要求而定，在成像焦面上成像至一合理设计的二元光学元件上，此二元光学元件即像素置换模块，其可以实现像素级别的Arnold变换，变换后图像变为随机分布图像，随后经过有SLM实现的小凹光学模块，其对随机分布图像进一步实现局部放大，对放大率突变区域信息实现了“隐藏”，并在成像焦面上对图像采集，此图像即明文图像加密后的密文信息。这就是加密系统的整个过程。
随后密文信息安全传输给拥有解密系统的解密方，密文信息可以以数字方式储存，将其输入图像输入模块，图像输入模块可以通过显示屏实现，显示出加密图像，并经过分光模块的凸透镜实现聚焦，并通过分光光路将图像分至不同离焦位置，然后在这些位置通过多离焦图像采集模块的探测器对图像同时采集，并传输至图像处理模块进行最后解密操作，因为解密方拥有加密系统的光学参数，利用光学参数对特定的放大率突变区域进行复原，并结合Arnold变换周期性或者通过对二元光学元件的了解直接计算变换次数进行逆变换，最终解出原始明文信息。此即为整个解密过程。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于小凹系统的局部光学加解密系统，其特征在于，包括加密系统和解密系统，其中，加密系统包括成像物镜模块、像素置换模块、小凹模块和加密图像采集模块；解密系统包括图像输入模块、分光模块、多离焦图像采集模块和图像处理模块；
成像物镜模块将待加密场景成像；
像素置换模块将待加密场景的图像进行像素置换得到随机分布的图像；
小凹模块通过改变小凹模块所处的通光孔径区域内的局部焦距而将置换后的图像分成原始放大区域、局部放大区域和原始放大区域与局部放大区域之间环状的放大率突变区域，所述放大率突变区域的图像即为密文图像；
加密图像采集模块将密文图像采集、保存并传输；
图像输入模块接收并显示密文图像；
分光模块根据放大率突变区域内光线的离焦范围将密文图像的光束进行两路以上分光，每束光在不同离焦位置进行聚焦；
多离焦图像采集模块在不同离焦位置采集密文图像，并传递给图像处理模块；
图像处理模块利用相位差异算法根据图像输入模块的光学参数和密文的各离焦位置图像还原得到放大率突变区域的像素置换图像，然后将放大率突变区域的像素置换图像、原始放大区域的像素置换图像以及局部放大区域的像素置换图像合成并还原得到原始场景图像；
其中，利用相位差异算法得到放大率突变区域的像素置换图像的过程为：估计密文图像的初始相位，利用图像输入模块的光学参数获得图像输入模块的光学系统脉冲响应，利用所述脉冲响应得到初始相位在不同离焦位置的复振幅信息，取其中的相位信息和分光采集得到的离焦面振幅信息得到新的复振幅信息，再利用新的复振幅信息和光学系统脉冲响应的共轭得到密文的新的初始相位，此即为一次迭代过程，对初始相位不断迭代，利用最终的初始相位与密文图像得到的复振幅信息，以该复振幅信息乘以光学系统脉冲响应得到密文图像的复振幅信息，取其振幅即得到放大率突变区域的像素置换图像。
2.如权利要求1所述的一种基于小凹系统的局部光学加解密系统，其特征在于，像素置换采用Arnold方法。
3.如权利要求2所述的一种基于小凹系统的局部光学加解密系统，其特征在于，像素置换模块通过二元光学元件或者透射式空间光调制器实现。
4.如权利要求1所述的一种基于小凹系统的局部光学加解密系统，其特征在于，加密图像采集模板通过探测器实现。
5.如权利要求1所述的一种基于小凹系统的局部光学加解密系统，其特征在于，小凹模块通过透射式空间光调制器实现。
6.如权利要求1所述的一种基于小凹系统的局部光学加解密系统，其特征在于，小凹模块的参数包括透射式空间光调制器中透镜间距、透镜各面曲率、口径和放大率。
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