CN109873814A - 涡旋激光阵列扫描全息多图像加密系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涡旋激光阵列扫描全息多图像加密系统及其方法，涉及光学多图像加密技术领域。本发明涡旋激光阵列扫描全息多图像加密系统，包括激光器，准直扩束器，分束器，随机相位板，涡旋阵列产生器，合束器，扫描器，待加密图像阵列，阵列探测器，光电转换和锁相放大器及计算机以光路方式连接。本发明涡旋激光阵列扫描全息多图像加密方法，包括：I获得涡旋激光阵列扫描全息图，II椭圆曲线加密，III椭圆曲线解密和IV全息图再现等四个环节。基于涡旋光束阵列扫描全息和椭圆曲线加密算法的多图像加密方法，具有适用范围广，结构简单，携带方便，安全性好等优势，为解决互联网信息安全，特别提高建立在多图像信息的安全性方面提供了新的技术手段。

Description

涡旋激光阵列扫描全息多图像加密系统及其方法

技术领域

本发明涉及光学多图像加密技术领域，具体指一种涡旋激光阵列扫描全息多图像加密系统及其方法。

背景技术

随着互联网技术的迅猛发展，通信隐私和信息泄露事件频发，信息安全技术成为国内外学者的研究热点，尤其是多图像的加密技术备受关注。REFREGIER等在1995年提出了对图像进行编码的双随机相位加密方法，其基本原理是：在输入平面和傅里叶频谱面上各放置一块互不相关的随机相位板，经过两次相位调制和傅里叶变换编码，在输出平面上得到统计特性随时间平移不变的广义平稳白噪声图像。随后，多种图像加密方法相继被提出，如光学异或加密，相移干涉加密，联合变换相关器加密，Gyrator变换加密，偏振加密和数字全息加密等。上述加密方法针对的只是单幅图像，而且采用对称加密算法，加密容量有限，安全性不高。但随着大数据的快速增长和信息传输能力的不断增强，传统的单幅图像数据加密传输已难以满足日益增长的信息需求。

椭圆曲线加密算法(Elliptic Curve Cryptography，ECC)是一种基于椭圆曲线数学的公钥加密算法。当前的公钥加密主要是基于单向陷门函数，即正向计算容易，逆运算极其困难的一类函数。椭圆曲线用在密码学中是由Neal Koblitz和Victor Miller在1985年分别独立提出的。ECC加密的安全性正是基于数学难题——椭圆曲线的离散对数问题，得以保障。椭圆曲线加密算法一般采用Weierstrass方程，在该方程上建立一个类似于实数轴上的加法运算法则，使其满足阿贝尔群的性质，用于对数问题的处理中。但是，实数域上的对数问题并不适用于加密。椭圆曲线加密算法一般采用Weierstrass方程，在该方程上建立一个类似于实数轴上的加法运算法则，使其满足阿贝尔群的性质，用于对数问题的处理中。但是，实数域上的对数问题并不适用于加密。因此将其变成离散的点，成为离散对数。这样，椭圆曲线的离散对数问题构成了单向陷门函数，因此可以用来进行公钥加密。

发明内容

本发明的目的是针对现有信息加密技术中存在的缺陷和不足，提出一种涡旋激光阵列扫描全息多图像加密系统及其方法，是基于随机相位调制的参考光和涡旋激光阵列干涉产生扫描光斑，经过扫描器扫描待加密图像阵列后，由阵列探测器探测获得加密全息图，再经过椭圆曲线加密处理器得到加密密文；其解密过程用解密密钥配合椭圆曲线解密处理器，得到解密全息图，最后经全息图的再现解密出原始图像。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

本发明涡旋激光阵列扫描全息多图像加密系统，其特点在于，包括激光器，准直扩束器，分束器，随机相位板，涡旋阵列产生器，合束器，扫描器，待加密图像阵列，阵列探测器，光电转换和锁相放大器及计算机以光路方式连接。

本发明涡旋激光阵列扫描全息多图像加密方法，包括I获得涡旋激光阵列扫描全息图，II椭圆曲线加密，III椭圆曲线解密和IV全息图再现等四个环节，具体包括下列详细步骤：

I.获得涡旋激光阵列扫描全息图：

激光器输出光束经过准直扩束器后变为平面波，入射到分束器后分为两路输出光；其中，一路平面波照射到随机相位板上，作为参考光束；另一路平面波经过涡旋阵列产生器形成涡旋激光阵列；两路光经过合束器后，形成涡旋激光阵列干涉图样，通过扫描器扫描待加密图像阵列，由阵列探测器接收到反射信号，经过光电转换和锁相放大器后在计算机中获得加密全息图。

II.椭圆曲线加密：

将涡旋激光阵列扫描全息产生的加密全息图，作为椭圆曲线加密算法的明文f；椭圆曲线加密算法是利用模p在有限域上的椭圆曲线算术规则来实现密钥协商的算法。

首先，用户A与用户B共享公开椭圆曲线参数的信息(p，a，b，G，n)，其中a，b确定的椭圆曲线方程y²＝x³+ax+b；

G为椭圆曲线中的生成元；

n为使得nG＝O成立的最小整数。

然后，用户A选择小于n的整数矩阵k_a作为自己的私钥，P_a＝k_a×G为用户A的公钥，用户B选择小于n的整数矩阵k_b作为自己的私钥，P_b＝k_b×G为用户B的公钥，K_A＝k_a×P_b为加密密钥，当用户A向用户B传输明文f时，使用加密密钥K_A对明文f进行g＝f+K_A计算，得到加密密文g，并将其传输给用户B。

所述用户A的私钥是用户A的指纹、掌纹、人脸图像、虹膜生物特征图像，经过处理得到整数矩阵k_a。

所述用户B的私钥是用户B的指纹、掌纹、人脸图像、虹膜生物特征图像，经过处理得到整数矩阵k_b。

III.椭圆曲线解密：

当用户B接收到加密密文g后，首先将用户B的私钥k_b和用户A的公钥P_a通过计算K_B＝k_b×P_a得到解密密钥K_B，再计算f＝g-K_B得到解密全息图。

IV.全息图再现：

在计算机11中产生一个加密系统的自由空间脉冲响应函数，对解密全息图进行傅立叶变换后，与自由空间脉冲响应函数相乘，然后对乘积结果进行逆傅立叶变换，即得到解密图像。

综上所述，本发明基于随机相位调制的参考光和涡旋激光阵列干涉产生扫描光斑，经过扫描器扫描待加密图像阵列后，由阵列探测器探测获得加密全息图，再经过椭圆曲线加密处理器得到加密密文；其解密过程用解密密钥配合椭圆曲线解密处理器，得到解密全息图，最后经全息图的再现解密出原始图像，为多图像加密解密提供一种具有适用范围广，结构简单，携带方便，安全性好等的优势解决方案。

附图说明

图1是一种涡旋激光阵列扫描全息多图像加密系统框图；

图中1-激光器，2-准直扩束器，3-分束器，4-随机相位板，5-涡旋阵列产生器，6-合束器，7-扫描器，8-待加密图像阵列，9-阵列探测器，10-光电转换和锁相放大器，11-计算机。

图2是本发明实施例椭圆曲线加密和解密流程框图；

图3是本发明实施例中的两个待加密图像，(a)Lena图像和(b)Baboon图像；

图4是本发明实施例中加密全息图(a)和加密密文(a)；

图5是本发明实施例中解密全息图；

图6是本发明实施例中的两个解密图像，(a)Lena图像和(b)Baboon图像。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

本发明涡旋激光阵列扫描全息多图像加密系统(如附图1所示)，其包括激光器1，准直扩束器2，分束器3，随机相位板4，涡旋阵列产生器5，合束器6，扫描器7，待加密图像阵列8，阵列探测器9，光电转换和锁相放大器10及计算机11以光路方式连接。

本发明涡旋激光阵列扫描全息多图像加密方法，由I获得涡旋激光阵列扫描全息图，II椭圆曲线加密，III椭圆曲线解密和IV全息图再现等四个环节(如附图2所示)，具体包括下列详细步骤：

I.获得涡旋激光阵列扫描全息图：

激光器1输出光束经过准直扩束器2后变为准直平面波，入射到分束器3后分为两路输出光，其中一路平面波照射到随机相位板4上，作为参考光束。另一路平面波经过涡旋阵列产生器5产生涡旋激光阵列，两路光经过合束器6后，产生涡旋激光阵列干涉图样，通过扫描器7扫描待加密图像阵列8，由阵列探测器9接收到反射信号，经过光电转换和锁相放大器10后在计算机11中获得加密全息图。

II.椭圆曲线加密：

将涡旋激光阵列扫描全息产生的加密全息图作为椭圆曲线加密算法的明文f。

椭圆曲线加密算法是利用模p在有限域上的椭圆曲线算术规则来实现密钥协商的算法。

首先，用户A与用户B共享公开椭圆曲线参数的信息(p，a，b，G，n)；

其中，a，b确定了椭圆曲线方程y²＝x³+ax+b；

G为椭圆曲线中的生成元；

n为使得nG＝O成立的最小整数。

然后，用户A选择小于n的整数矩阵k_a作为自己的私钥，P_a＝k_a×G为用户A的公钥；

用户B选择小于n的整数矩阵k_b作为自己的私钥，P_b＝k_b×G为用户B的公钥，K_A＝k_a×P_b为加密密钥，

当用户A向用户B传输明文f时，使用加密密钥K_A对明文f进行g＝f+K_A计算，得到加密密文g，并将其传输给用户B。

所述的用户A的私钥是用户A的指纹、掌纹、人脸图像、虹膜生物特征图像，经过数据处理得到整数矩阵k_a。

所述的用户B的私钥是用户B的指纹、掌纹、人脸图像、虹膜生物特征图像，经过数据处理得到整数矩阵k_b。

III.椭圆曲线解密：

当用户B接收到加密密文g后，首先将用户B的私钥k_b和用户A的公钥P_a通过计算K_B＝k_b×P_a得到解密密钥K_B，再计算f＝g-K_B得到解密全息图。

IV.全息图再现：

在计算机11中产生一个加密系统的自由空间脉冲响应函数，对解密全息图进行傅立叶变换后，与自由空间脉冲响应函数相乘，然后对乘积结果进行逆傅立叶变换，即得到解密图像。

本发明的一个实施例：

待加密图像为两个图像，Lena和Baboon图像(如图3(a)和3(b)所示)，经过涡旋激光阵列扫描得到的加密全息图(如附图4(a)所示)。

加密全息图再经过椭圆曲线加密处理器后得到加密密文g，(如附图4(b)所示)。

再通过椭圆曲线解密算法，得到解密全息图(如附图5所示)，最后经过全息图再现得到恢复后的Lena和Baboon图像(如附图6(a)和6(b)所示)。

据此，本发明可概括为：

(1)用涡旋光束阵列扫描全息对多图像进行加密，可以扩大加密信息容量，对信息进行并行处理。同时利用涡旋的相位结构进行希尔伯特变换，对图像进行频谱处理，增强图像边缘锐度，极大的提高了输出图像的质量，从而提高全息成像的分辨率。

(2)用椭圆曲线加密(ECC)方法是一种典型的非对称加密算法，对扫描全息产生的加密全息图进行二次加密，能大大提高加密图像的安全性。而且，ECC算法解决了一般的光学加密中存在的密钥分发问题，实现了真正意义上的非对称加密。

综上所述，本发明涡旋光束阵列扫描全息和椭圆曲线加密算法的多图像加密方法，它具有适用范围广，结构简单，携带方便，安全性好等的优势，在为解决互联网信息安全，特别提高建立在多图像信息传递的安全性方面提供了新的技术手段。

Claims (2)

1.一种涡旋激光阵列扫描全息多图像加密系统，其特征在于，包括激光器(1)，准直扩束器(2)，分束器(3)，随机相位板(4)，涡旋阵列产生器(5)，合束器(6)，扫描器(7)，待加密图像阵列(8)，阵列探测器(9)，光电转换和锁相放大器(10)及计算机(11)以光路方式连接。

2.如权利要求1所述的一种涡旋激光阵列扫描全息多图像加密方法，其特征在于，包括I获取涡旋激光阵列扫描全息图，II椭圆曲线加密，III椭圆曲线解密和IV全息图再现四个环节，具体包括下列步骤：

I.获取涡旋激光阵列扫描全息图：

激光器1输出光束经过准直扩束器2后变为准直平面波，入射到分束器3后分为两路输出光，其中一路平面波照射到随机相位板4上，作为参考光束；

另一路平面波经过涡旋阵列产生器5产生涡旋激光阵列，上述两路光经合束器6后，产生涡旋激光阵列干涉图样，通过扫描器7扫描待加密图像阵列8，由阵列探测器9接收到反射信号，经过光电转换和锁相放大器10后在计算机11中获得加密全息图；

II.椭圆曲线加密：

将加密全息图作为椭圆曲线加密算法的明文f；

其中，所述椭圆曲线加密算法是利用模p在有限域上的椭圆曲线算术规则来实现密钥协商的算法：

首先，用户A与用户B共享公开椭圆曲线参数的信息(p，a，b，G，n)，

其中，a，b确定的椭圆曲线方程y²＝x³+ax+b；

G为椭圆曲线中的生成元；

n为使得nG＝O成立的最小整数；

其次，用户A选择小于n的整数矩阵k_a作为自己的私钥，P_a＝k_a×G为用户A的公钥，用户B选择小于n的整数矩阵k_b作为自己的私钥，P_b＝k_b×G为用户B的公钥，K_A＝k_a×P_b为加密密钥；

当用户A向用户B传输明文f时，使用加密密钥K_A对明文f进行g＝f+K_A计算，得到加密密文g，并将其传输给用户B；

所述用户A的私钥是用户A的指纹、掌纹、人脸图像、虹膜生物特征图像，经过数据处理得到整数矩阵k_a；

所述用户B的私钥是用户B的指纹、掌纹、人脸图像、虹膜生物特征图像，经过数据处理得到整数矩阵k_b；

III.椭圆曲线解密：

当用户B接收到加密密文g后，

首先，将用户B的私钥k_b和用户A的公钥P_a通过计算K_B＝k_b×P_a得到解密密钥K_B，

再计算f＝g-K_B得到解密全息图；

IV.全息图再现：

在计算机11中产生一个加密系统的自由空间脉冲响应函数，对解密全息图进行傅立叶变换后，和自由空间脉冲响应函数相乘，然后对乘积结果进行逆傅立叶变换，即得到解密图像。