CN109451198B - 一种基于柱面衍射和干涉原理的图像加密方法 - Google Patents

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Abstract

本发明针对基于光学干涉原理图像加密技术的系统安全隐患，提出一种基于柱面衍射和干涉原理的图像加密方法。该方法对传统的基于干涉原理的图像加密方法进行改进，使用柱面衍射代替菲尼尔衍射或夫琅禾费衍射，将图像加密成两块纯相位板。由于柱面衍射的由内向外传播模型和由外向内传播模型是一对天然的非对称衍射过程，柱面衍射过程的引入，使得本发明的图像加密方法克服了“轮廓显现问题”，且能够抵御迭代恢复算法的攻击，极大地提高了加密系统的安全性。

Description

一种基于柱面衍射和干涉原理的图像加密方法
技术领域
本发明涉及一种信息安全技术和信息光学领域，特别是图像的加密方法。
背景技术
光学干涉原理用于图像加密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。2008年，首都师范大学的张岩等学者首次提出基于光学干涉原理的图像加密方法[Y. Zhang, B. Wang. Optical image encryption based on interference [J]. Opt.Lett., 2008, 33(21): 2443-2445.]，运用干涉原理将一幅图像解析地加密成两块相位板，只需运用光强探测器，如CCD 就可以在解密系统的输出面上方便地得到解密结果。然而最近的研究表明，直接利用干涉方法得到的相位板存在“轮廓显现问题”，即当作为加密结果的任意一块相位板放置在解密装置中时，就可在输出面上得到原图像的轮廓，这样的加密系统的安全性存在极大的隐患。由于柱面衍射的由内向外传播模型和由外向内传播模型是一对天然的非对称衍射过程，将柱面衍射过程引入图像加密领域，具有极大的潜力和优势。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于柱面衍射和干涉原理的图像加密方法。
解决上述技术问题采用如下技术措施：基于柱面衍射和干涉原理的图像加密方法按如下步骤进行：
（1）加密：
（i）待加密的图像(I)与随机相位板(R1)结合，构成一个复振幅(U1)，表示为U1=sqrt(I)×exp(i×R1)，其中i为虚数单位，R1在区间[0, 2π]上具有均匀概率分布；
（ii）复振幅U1经过柱面衍射逆变换，得到复振幅U2，表示为U2=F-1[F(U1)/F(h)]，其中F()和F-1[]分别表示傅里叶变换和逆变换，h是柱面衍射的脉冲响应函数，表示为：
其中，θ和z分别表示柱面坐标系下的径向和垂轴坐标，r1和r2分别代表输入和输出柱面的半径，λ表示波长，L表示衍射距离；
（iii）用A与β分别表示U2的振幅和相位分布，根据光学干涉原理，U2可进一步分解成两块相位板，即U2=exp(i×P1)+exp(i×P2)，其中P1、P2分别为：P1=β-arccos(A/2)，P2=β+arccos(A/2)；
（2）解密：
（i）将相位板P1和P2相干叠加得到U2，表示为U2=exp(i×P1)+exp(i×P2)；
（ii）对相干叠加后得到的结果U2实行一次柱面衍射变换，即可得到U1，表示为U1=CDT{U2}=U2*h=F-1[F(U2)×F(h)]，其中CDT{}表示柱面衍射变换，其中*表示卷积，由于U2=F-1[F(U1)/F(h)]，即可恢复出U1；
（iii）对恢复出的U1进行取模的平方，即可恢复明文原图I，表示为I=|U1|2；
综合以上各过程，解密结果可简单表示为：I=|CDT{exp(i×P1)+exp(i×P2)}|2。
本发明的有益效果在于：由于柱面衍射变换的应用，使得该方法具备非对称加密系统良好的抗攻击能力，能抵御迭代恢复算法的攻击，且没有“轮廓显现问题”，加密系统的安全性好。
附图说明
附图1为本发明的加密流程图。
附图2为本发明的解密流程图。
附图3为本发明的光学解密示意图。
附图4为加解密结果，4(a)为待加密图I，“Airplane”，图像大小为512×512；4(b)为加密的密文P1；4(c)为加密私钥P2；4(d)为解密图I。
附图5为本发明的“轮廓显现问题”测试结果，5(a)为仅使用P1的解密图，5(b)为仅使用P2的解密图。
注：上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。
具体实施方式
下面详细说明本发明一种基于柱面衍射和干涉原理的图像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。
本发明所述方法的具体实施方式如下：
（1）图像的加密过程（如图1所示）分如下几个步骤：
（i）待加密的图像(I)与随机相位板(R1)结合，构成一个复振幅(U1)，表示为U1=sqrt(I)×exp(i×R1)，其中i为虚数单位，R1在区间[0, 2π]上具有均匀概率分布；
（ii）复振幅U1经过柱面衍射逆变换，得到复振幅U2，表示为U2=F-1[F(U1)/F(h)]，其中F()和F-1[]分别表示傅里叶变换和逆变换，h是柱面衍射的脉冲响应函数，表示为：
其中，θ和z分别表示柱面坐标系下的径向和垂轴坐标，r1和r2分别代表输入和输出柱面的半径，λ表示波长，L表示衍射距离；
（iii）用A与β分别表示U2的振幅和相位分布，根据光学干涉原理，U2可进一步分解成两块相位板，即U2=exp(i×P1)+exp(i×P2)，其中P1、P2分别为：P1=β-arccos(A/2)，P2=β+arccos(A/2)；
（2）图像的解密过程（如图2所示）分如下几个步骤：
（i）将相位板P1和P2相干叠加得到U2，表示为U2=exp(i×P1)+exp(i×P2)；
（ii）对相干叠加后得到的结果U2实行一次柱面衍射变换，即可得到U1，表示为U1=CDT{U2}=U2*h=F-1[F(U2)×F(h)]，其中CDT{}表示柱面衍射变换，*表示卷积，由于U2=F-1[F(U1)/F(h)]，即可恢复出U1；
（iii）对恢复出的U1进行取模的平方，即可恢复明文原图I，表示为I=|U1|2；
综合以上各过程，解密结果可简单表示为：I=|CDT{exp(i×P1)+exp(i×P2)}|2。
本发明中的P1和P2可分别作为加密的密文和私钥，且两个角色可以相互替换，而R1及柱面衍射的系统参数（波长、柱面高、内径和外径）作为公钥，构成非对称的图像加密系统。
在本发明提出的方法中，加密过程通过数字方式实现，解密结果在数学上则可表示为I=|CDT{ exp(i×P1)+exp(i×P2)}|2，因此解密过程既可以通过数字方式计算实现，也可由光学方式完成，即将两块相位板P1、P2放置在解密系统的光路中，利用CCD 直接记录得到原图。下面对本发明中采用的图像光学解密方式进行具体说明：
光学解密的过程参照图3，由半波器HM、柱面反射镜CM和CCD构成解密系统，将加密过程中得到的两个相位板P1和P2分开放置在系统的两个输入平面上，保持P1和P2到HM 的两种路径传播距离相等，假设单位振幅的相干光分成两束，分别照射相位板P1和P2后通过半波器HM叠加，用CCD 在系统输出面上则可记录得到原始图像，即解密结果为I=|CDT{exp(i×P1)+exp(i×P2)}|2。
下面结合实施例和附图对本发明的内容进行进一步的解释：
柱面衍射系统参数和一个随机相位板作为加密的公钥。柱面衍射系统参数波长、柱面高度、输入柱面和输出柱面半径分别用△z、r1、r2来表示，它们分别设定为96um、64mm、10 mm、100 mm。随机相位板R1可由一维混沌算法生成，表示为xn+1=μ×xn(1-xn)，其参数x0,u分别设定为0.399和3.874。
图4(a)所示的待加密图的加密密文如图4(b)所示，只有在加密公钥和图4(c)所示的私钥都正确的情况下，才能够得到图4(d)所示的正确解密结果。接下来测试“轮廓显现问题”，当仅使用其中任何一个相位板（P1或P2）解密时，解密结果如图5(a)和5(b)所示，该结果表明本发明的方法没有“轮廓显现问题”，解决了传统的基于干涉原理图像加密方法的安全性问题。

Claims (1)

1.一种基于柱面衍射和干涉原理的图像加密方法，其特征是按如下步骤进行： （1）加 密： （i）待加密的图像(I)与随机相位板(R1)结合，构成一个复振幅(U1)，表示为U1=sqrt (I)×exp(i×R1)，其中i为虚数单位，R1在区间[0, 2π]上具有均匀概率分布； （ii）复振幅 U1经过柱面衍射逆变换，得到复振幅U2，表示为U2=F-1[F(U1)/F(h)]，其中F()和F-1[]分别 表示傅里叶变换和逆变换，h是柱面衍射的脉冲响应函数，表示为：其中，θ和z分别表示柱面坐标系下的径向和垂轴坐标， r1和r2分别代表输入和输出柱面的半径，λ表示波长，L表示衍射距离； （iii）用A与β分别表 示U2的振幅和相位分布，根据光学干涉原理，U2可进一步分解成两块相位板，即U2=exp(i× P1)+exp(i×P2)，其中P1、P2分别为：P1=β-arccos(A/2)，P2=β+arccos(A/2)； （2）解密： （i）将相位板P1和P2相干叠加得到U2，表示为U2=exp(i×P1)+exp(i×P2)； （ii）对相干叠 加后得到的结果U2实行一次柱面衍射变换，即可得到U1，表示为U1=CDT{U2} =U2*h= F-1[F (U2)×F(h)]，其中CDT{}表示柱面衍射变换，其中*表示卷积，由于U2= F-1[F(U1)/F(h)]，即 可恢复出U1； （iii）对恢复出的U1进行取模的平方，即可恢复明文原图I，表示为I=|U1|2； 综合以上各过程，解密结果可简单表示为：I=|CDT{exp(i×P1)+exp(i×P2)}|2。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110210235B (zh) * 2019-05-24 2022-10-21 四川大学 一种基于柱面衍射和相位截断的非对称多图像加密方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103279916A (zh) * 2013-05-24 2013-09-04 浙江农林大学 基于双随机相位编码和干涉原理的图像加密方法
CN107886551A (zh) * 2017-11-12 2018-04-06 四川大学 双柱面随机相位编码的光学图像加密方法
CN108063881A (zh) * 2017-12-27 2018-05-22 四川大学 彩色图像的双柱面随机相位编码加密方法
CN108596989A (zh) * 2018-04-28 2018-09-28 四川大学 一种基于迂回柱面衍射与压缩感知的光学图像加密方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103279916A (zh) * 2013-05-24 2013-09-04 浙江农林大学 基于双随机相位编码和干涉原理的图像加密方法
CN107886551A (zh) * 2017-11-12 2018-04-06 四川大学 双柱面随机相位编码的光学图像加密方法
CN108063881A (zh) * 2017-12-27 2018-05-22 四川大学 彩色图像的双柱面随机相位编码加密方法
CN108596989A (zh) * 2018-04-28 2018-09-28 四川大学 一种基于迂回柱面衍射与压缩感知的光学图像加密方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Image Encryption Using Compressive Sensing and Detour Cylindrical Diffraction;Jun Wang;《IEEE photonics Journal》;20180630;全文
基于干涉原理的光学图像加密技术;何冰玉;《中国优秀硕士学位论文全文数据库》;20180415;第3章
基于柱面衍射和彩色空间转换的单通道彩色图像加密;常柯明，陈叶，王莹，王君;《红外与激光工程》;20180625;第0-1节，图1

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