CN109902261A - 一种图像加密方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种图像加密方法及装置，用于减轻现有技术中密文相位信息主要集中在纯相位掩码中，加密后的密文有轮廓显现的问题。该图像加密方法包括：将多个图像按照预设公式用矩阵表示，获得第一矩阵；对第一矩阵进行四元数旋转变换，获得第二矩阵，四元数旋转变换为降低第一矩阵中的轮廓显现的变换运算；对第二矩阵进行复数矩阵计算，获得第三矩阵，复数矩阵计算为降低第二矩阵中的轮廓显现的矩阵运算；对第三矩阵进行等模分解，获得多个掩码，等模分解为将第三矩阵的相位信息分解；对多个掩码进行编码，获得密文和密钥。
Description
技术领域
本申请涉及图像加密的技术领域，涉及一种图像加密方法及装置。
背景技术
图像作为一种表达信息的重要方式，具有较强的形象性、直观性等特点，在工业生产、生物医学、视频通信等领域得到了广泛的应用。每天都有海量的图像、音视频、文本等数据需要在互联网上传输和使用，但是由于网络的开放性和共享性，图像数据很容易的被复制和使用。
目前行业内常见的图像加密方法，例如双随机相位编码，其基本原理是：在输入平面和傅里叶频谱面上各进行一次相位调制，并经过两次傅里叶变换进行编码，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。这种方法在不知密钥的情况下无法解密得到原始图像，极大地减小了图像被他人获知的可能性，但是，这种图像加密方法的密文相位信息主要集中在纯相位掩码中，加密后的密文存在轮廓显现的问题。因此，现有技术中存在着密文相位信息主要集中在纯相位掩码中，加密后的密文有轮廓显现的问题。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种图像加密方法及装置，用于减轻现有技术中密文相位信息主要集中在纯相位掩码中，加密后的密文有轮廓显现的问题。
本申请实施例提供了的一种图像加密方法，应用于电子设备，包括：将多个图像按照预设公式用矩阵表示，获得第一矩阵；对所述第一矩阵进行四元数旋转变换，获得第二矩阵，所述四元数旋转变换为降低所述第一矩阵中的轮廓显现的变换运算；对所述第二矩阵进行复数矩阵计算，获得第三矩阵，所述复数矩阵计算为降低所述第二矩阵中的轮廓显现的矩阵运算；对所述第三矩阵进行等模分解，获得多个掩码，所述等模分解为将所述第三矩阵的相位信息分解；对所述多个掩码进行编码，获得密文和密钥。使用该方法可以将有意义的一个或者多个图像变换为类似随机噪声的密文，并获得密钥，在没有密钥的情况下很难获知图像内容，因此具有较高的安全性，增加了多媒体数据的安全传输的可靠性和安全性。
可选地，在本申请实施例中，所述将多个图像按照预设公式用矩阵表示，包括：
将多个图像按照fq(x,y)＝f1(x,y)+if2(x,y)+jf3(x,y)+kf4(x,y)用矩阵表示；
其中，(x,y)为空间位置坐标，fq(x,y)为第一矩阵，f1(x,y)为第一图像，f2(x,y)为第二图像，f3(x,y)为第三图像，f4(x,y)为第四图像，i、j、k均为系数，且满足：ij＝k,jk＝i，ki＝j,i2＝j2＝k2＝-1，ij＝-ji,jk＝-kj，ki＝-ik。使用该方法将多个图像表示为四元数矩阵，从而将多个图像表示为一个整体进行加密，能够有效提高传输效率。
当然，在具体的实施过程中，这里的图像包括：彩色图像或者灰度图像，这里的多个图像包括：两幅图像、三幅图像或八幅图像等等，因此，这里的图像个数，以及是否彩色或者是否为灰度不应理解为对本申请实施例的限制。
可选地，在本申请实施例中，所述对所述第一矩阵进行四元数旋转变换，获得第二矩阵，包括：
根据对所述第一矩阵进行四元数旋转变换；
其中：(x,y)为空间位置坐标，e(x,y)为所述第二矩阵，fq(x,y)为所述第一矩阵，α为预设旋转角度，(u,v)为空间频率坐标，表示对所述第一矩阵进行旋转角度为α的四元数旋转变换。该变换方法具有可变换的参数，该参数包括旋转角度，使用该方法将四元数矩阵进行四元数旋转变换后，能够有效地提高密文的安全性。
可选地，在本申请实施例中，所述对所述第一矩阵进行四元数旋转变换，包括：
根据对所述第一矩阵进行左边型四元数Gyrator变换；
其中：(x,y)为空间位置坐标，fq(x,y)为所述第一矩阵，μ为任意的单位纯四元数，即：μ＝γ1i+γ2j+γ3k且μ2＝-1，i、j、k均为系数，{γ1，γ2，γ3}为实数，α为预设旋转角度，(u,v)为空间频率坐标，Kα(u,v；x,y)为变换核，表示对所述第一矩阵进行旋转角度为α的四元数旋转变换。该变换方法具有可变换的参数，该参数包括旋转角度，使用该方法将四元数矩阵进行四元数旋转变换后，能够有效地提高密文的安全性。
可选地，在本申请实施例中，所述对所述第一矩阵进行四元数旋转变换，包括：
根据对所述第一矩阵进行右边型四元数Gyrator变换；
其中：(x,y)为空间位置坐标，fq(x,y)为所述第一矩阵，μ为任意的单位纯四元数，即：μ＝γ1i+γ2j+γ3k且μ2＝-1，i、j、k均为系数，{γ1，γ2，γ3}为实数，α为预设旋转角度，(u,v)为空间频率坐标，Kα(u,v；x,y)为变换核，表示对所述第一矩阵进行旋转角度为α的四元数旋转变换。该变换方法具有可变换的参数，该参数包括旋转角度，使用该方法将四元数矩阵进行四元数旋转变换后，能够有效地提高密文的安全性。
可选地，在本申请实施例中，所述对所述第二矩阵进行复数矩阵计算，获得第三矩阵，包括：
根据A1＝S(e(x,y))+X(e(x,y))j，A2＝Y(e(x,y))+Z(e(x,y))j，以及对所述第二矩阵进行复数矩阵计算，获得第三矩阵；
其中：(x,y)为空间位置坐标，Mc(x,y)为所述第三矩阵，e(x,y)为所述第二矩阵；S(e(x,y))、X(e(x,y))、Y(e(x,y))、Z(e(x,y))分别表示取所述第二矩阵e(x,y)的第一个分量、第二个分量、第三个分量和第四个分量，为复数A1的共轭，为复数A2的共轭，j为系数。该方法使用了复数矩阵的表示，避免了密文相位信息主要集中在纯相位掩码中的问题，可以有效地提高抗攻击强度。
可选地，在本申请实施例中，所述对所述第三矩阵进行等模分解，获得多个掩码，包括：
根据
对所述第三矩阵进行等模分解，获得第一掩码M1(x,y)和第二掩码M2(x,y)；
其中：(x,y)为空间位置坐标，A(x,y)、P(x,y)分别表示矩阵Mc(x,y)的幅度和相位，M1(x,y)为所述第一掩码，M2(x,y)为所述第二掩码，θ(x,y)为服从均匀分布的随机矩阵，且0≤θ(x,y)≤1，i为系数。该方法在复数矩阵的表示后，再将相位信息进行等模分解，从而避免了相位信息的集中，可以有效地提高抗攻击强度。
可选地，在本申请实施例中，所述对所述多个掩码进行编码，获得密文和密钥，包括：
根据和对所述多个掩码进行编码，获得密文；
其中，(x,y)为空间位置坐标，α2、α3表示旋转角度，C1(x,y)和C2(x,y)为所述密文，M1(x,y)为所述第一掩码，M2(x,y)为所述第二掩码，fq(x,y)为第一矩阵，表示对所述第一掩码进行四元数旋转变换，表示对所述第二掩码进行四元数旋转变换，AT[z]表示将方括号内的参数z进行相位截断。使用该方法获得了多个掩码进行编码后的密文，保证原多个图像在网络或者其它环境传输的过程中的安全性和传输效率。
可选地，在本申请实施例中，所述对所述多个掩码进行编码，获得密文和密钥，包括：
根据和对所述多个掩码进行编码，获得密钥；
其中，(x,y)为空间位置坐标，α2、α3表示旋转角度，K1(x,y)、K2(x,y)及旋转角度为所述密钥，M1(x,y)为所述第一掩码，M2(x,y)为所述第二掩码，fq(x,y)为第一矩阵，表示对所述第一掩码进行四元数旋转变换，表示对所述第二掩码进行四元数旋转变换，PT[z]表示对方括号内的参数z进行幅度截断。使用该方法获得了多个掩码进行编码后的密钥，在没有得到密钥的情况下很难解码密文，从而保证原多个图像在网络或者其它环境传输的过程中的安全性。
本申请实施例还提供了一种图像加密装置，应用于电子设备，包括：第一矩阵获得模块，用于将多个图像按照预设公式用矩阵表示，获得第一矩阵；第二矩阵获得模块，用于对所述第一矩阵进行四元数旋转变换，获得第二矩阵，所述四元数旋转变换为降低所述第一矩阵中的轮廓显现的变换运算；第三矩阵获得模块，用于对所述第二矩阵进行复数矩阵计算，获得第三矩阵，所述复数矩阵计算为降低所述第二矩阵中的轮廓显现的矩阵运算；多个掩码获得模块，用于对所述第三矩阵进行等模分解，获得多个掩码，所述等模分解为将所述第三矩阵的相位信息分解；密文密钥获得模块，用于对所述多个掩码进行编码，获得密文和密钥。使用该装置可以将有意义的一个或者多个图像变换为类似随机噪声的密文，并获得密钥，在没有密钥的情况下很难获知图像内容，因此具有较高的安全性，增加了多媒体数据的安全传输的可靠性和安全性。
本申请实施例还提供了一种电子设备，包括：处理器、存储器和通信接口，所述存储器存储有所述处理器可执行的机器可读指令，所述通信接口用于与外部设备进行通信，所述机器可读指令被所述处理器执行时执行如上所述的方法。该电子设备可以将有意义的一个或者多个图像变换为类似随机噪声的密文，并获得密钥，在没有密钥的情况下很难获知图像内容，因此具有较高的安全性，增加了多媒体数据的安全传输的可靠性和安全性。
本申请实施例还提供了一种存储介质，当所述存储介质中的指令由电子设备的处理器执行时，使得电子设备能够执行权利要求1-7任意一项所述的方法。
本申请提供一种图像加密方法及装置，首先，通过将多个图像按照预设公式用矩阵表示，获得第一矩阵；然后，对第一矩阵进行四元数旋转变换，获得第二矩阵，四元数旋转变换为降低第一矩阵中的轮廓显现的变换运算；其次，对第二矩阵进行复数矩阵计算，获得第三矩阵，复数矩阵计算为降低第二矩阵中的轮廓显现的矩阵运算；再次，对第三矩阵进行等模分解，获得多个掩码，等模分解为将第三矩阵的相位信息分解；最后，对多个掩码进行编码，获得密文和密钥。也就是说，将多个图像用一个矩阵整体表示后，再对该矩阵进行四元数旋转变换、复数矩阵计算、等模分解和编码运算，获得密文和密钥，其中，复数矩阵计算和等模分解运算能够有效地减轻密文相位信息主要集中在纯相位掩码的程度。通过这种方式有效地减轻了现有技术中密文相位信息主要集中在纯相位掩码中，加密后的密文有轮廓显现的问题。
为使本申请的上述目的和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本申请实施例提供的电子设备结构示意图；
图2示出了本申请实施例提供的图像加密方法流程示意图；
图3示出了本申请实施例提供的图像加密方法另一种实施方式的示意图；
图4示出了本申请实施例提供的图像加密装置结构示意图。
图标：100-图像加密装置；101-处理器；102-存储器；103-存储介质；109-电子设备；110-第一矩阵获得模块；120-第二矩阵获得模块；130-第三矩阵获得模块；140-多个掩码获得模块；150-密文密钥获得模块。
具体实施方式
以下将对本申请实施例中的部分用语进行解释说明，以便于本领域技术人员理解。
四元数，是复数的不可交换延伸，例如：把四元数的集合考虑成多维实数空间的话，四元数就代表着一个四维空间，相对于复数为二维空间。相对于另几种旋转表示法(矩阵，欧拉角，轴角)，四元数具有某些方面的优势，如速度更快、提供平滑插值、有效避免万向锁问题、存储空间较小等等。
矩阵，是高等代数学中的常见工具，也常见于统计分析等应用数学学科中。矩阵的运算是数值分析领域的重要问题。将矩阵分解为简单矩阵的组合可以在理论和实际应用上简化矩阵的运算。对一些应用广泛而形式特殊的矩阵，例如稀疏矩阵和准对角矩阵，有特定的快速运算算法。
四元数矩阵，即以矩阵表示四元数，通常有两种方法能以矩阵表示四元数，并以矩阵之加法、乘法应用于四元数之加法、乘法。第一种是以二阶复数矩阵表示；四元数的绝对值的平方就等于矩阵的行列式。四元数的共轭值就等于矩阵的共轭转置。第二种则是以四阶实数矩阵表示：其中四元数的共轭等于矩阵的转置。
复数矩阵，又称复矩阵，是指元素是复数的矩阵。实矩阵是复矩阵的特例。
另外，需要理解的是，在本申请实施例的描述中，“第一”、“第二”等词汇，仅用于区分描述的目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性，也不能理解为指示或者暗示顺序。
下面结合附图，对本申请实施例的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参见图1，图1示出了本申请实施例提供的电子设备结构示意图。本申请实施例提供了的一种电子设备109，包括：处理器101和存储器102，存储器102存储有处理器101可执行的机器可读指令，机器可读指令被处理器101执行时执行如下的方法。
在具体的实施过程中，对卷积神经网络(Convolutional Neural Network，CNN)的相关计算可以用图形处理器(Graphics Processing Unit，GPU)进行加速，因此，该电子设备还可以包括图形处理器。此外，在使用分布式计算框架时需要使用通信接口，该电子设备还可以包括通讯与网络扩展卡、光纤卡或者多串口通信卡等部件，在此不再赘述。
请参见图1，本申请实施例提供了的一种存储介质103，该存储介质103上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器101运行时执行如下的方法。
本领域技术人员可以理解，图1中示出的电子设备的结构并不构成对该设备的限定，本申请实施例提供的设备可以包括比图示更多或者更少的部件，或者不同的部件布置。
第一实施例
请参见图2，图2示出了本申请实施例提供的图像加密方法流程示意图。本申请实施例提供了的一种图像加密方法，应用于电子设备，包括：
步骤S110：将多个图像按照预设公式用矩阵表示，获得第一矩阵。
需要说明地是，可选地，在本申请实施例中，将多个图像按照预设公式用矩阵表示，包括：
将多个图像按照fq(x,y)＝f1(x,y)+if2(x,y)+jf3(x,y)+kf4(x,y)用矩阵表示；
其中，(x,y)为空间位置坐标，fq(x,y)为第一矩阵，f1(x,y)为第一图像，f2(x,y)为第二图像，f3(x,y)为第三图像，f4(x,y)为第四图像，i、j、k均为系数，且满足：ij＝k,jk＝i，ki＝j,i2＝j2＝k2＝-1，ij＝-ji,jk＝-kj，ki＝-ik。使用该方法将多个图像表示为四元数矩阵，从而将多个图像表示为一个整体进行加密，能够有效提高传输效率。
步骤S120：对第一矩阵进行四元数旋转变换，获得第二矩阵，四元数旋转变换为降低第一矩阵中的轮廓显现的变换运算。
可选地，在本申请实施例中，对第一矩阵进行四元数旋转变换，获得第二矩阵，包括：
根据对第一矩阵进行四元数旋转变换；
其中：(x,y)为空间位置坐标，e(x,y)为第二矩阵，fq(x,y)为第一矩阵，α为预设旋转角度，(u,v)为空间频率坐标，表示对第一矩阵进行旋转角度为α的四元数旋转变换。该变换方法具有可变换的参数，该参数包括旋转角度，使用该方法将四元数矩阵进行四元数旋转变换后，能够有效地提高密文的安全性。
当然，在本申请实施例中，对第一矩阵进行四元数旋转变换的具体实施方式有多种实施方式，具体包括如下两种实施方式：
第一种实施方式，例如，对第一矩阵进行四元数旋转变换，包括：
根据对第一矩阵进行左边型四元数Gyrator变换；
其中：(x,y)为空间位置坐标，fq(x,y)为第一矩阵，μ为任意的单位纯四元数，即：μ＝γ1i+γ2j+γ3k且μ2＝-1，i、j、k均为系数，{γ1，γ2，γ3}为实数，α为预设旋转角度，(u,v)为空间频率坐标，Kα(u,v；x,y)为变换核，表示对第一矩阵进行旋转角度为α的四元数旋转变换。
第二种实施方式，例如，对第一矩阵进行四元数旋转变换，包括：
根据对第一矩阵进行右边型四元数Gyrator变换；
其中：(x,y)为空间位置坐标，fq(x,y)为第一矩阵，μ为任意的单位纯四元数，即：μ＝γ1i+γ2j+γ3k且μ2＝-1，i、j、k均为系数，{γ1，γ2，γ3}为实数，α为预设旋转角度，(u,v)为空间频率坐标，Kα(u,v；x,y)为变换核，表示对第一矩阵进行旋转角度为α的四元数旋转变换。
步骤S130：对第二矩阵进行复数矩阵计算，获得第三矩阵，复数矩阵计算为降低第二矩阵中的轮廓显现的矩阵运算。
可选地，在本申请实施例中，对第二矩阵进行复数矩阵计算，获得第三矩阵，包括：
根据A1＝S(e(x,y))+X(e(x,y))j，A2＝Y(e(x,y))+Z(e(x,y))j，以及对第二矩阵进行复数矩阵计算，获得第三矩阵；
其中：(x,y)为空间位置坐标，Mc(x,y)为第三矩阵，e(x,y)为第二矩阵；S(e(x,y))、X(e(x,y))、Y(e(x,y))、Z(e(x,y))分别表示取第二矩阵e(x,y)的第一个分量、第二个分量、第三个分量和第四个分量，为复数A1的共轭，为复数A2的共轭，j为系数。该方法使用了复数矩阵的表示，避免了密文相位信息主要集中在纯相位掩码中的问题，可以有效地提高抗攻击强度。
步骤S140：对第三矩阵进行等模分解，获得多个掩码，等模分解为将第三矩阵的相位信息分解。
可选地，在本申请实施例中，对第三矩阵进行等模分解，获得多个掩码，包括：
根据
对第三矩阵进行等模分解，获得第一掩码M1(x,y)和第二掩码M2(x,y)；
其中：(x,y)为空间位置坐标，A(x,y)、P(x,y)分别表示矩阵Mc(x,y)的幅度和相位，M1(x,y)为第一掩码，M2(x,y)为第二掩码，θ(x,y)为服从均匀分布的随机矩阵，且0≤θ(x,y)≤1，i为系数。该方法在复数矩阵的表示后，再将相位信息进行等模分解，从而避免了相位信息的集中，可以有效地提高抗攻击强度。
步骤S150：对多个掩码进行编码，获得密文和密钥。
可选地，在本申请实施例中，对多个掩码进行编码，获得密文，包括如下方法：
根据和对多个掩码进行编码，获得密文；
其中，(x,y)为空间位置坐标，α2、α3表示旋转角度，C1(x,y)和C2(x,y)为密文，M1(x,y)为第一掩码，M2(x,y)为第二掩码，fq(x,y)为第一矩阵，表示对第一掩码进行四元数旋转变换，表示对第二掩码进行四元数旋转变换，AT[z]表示将方括号内的参数z进行相位截断。使用该方法获得了多个掩码进行编码后的密文，保证原多个图像在网络或者其它环境传输的过程中的安全性和传输效率。
可选地，在本申请实施例中，对多个掩码进行编码，获得密钥，包括如下方法：
根据和对多个掩码进行编码，获得密钥；
其中，(x,y)为空间位置坐标，α2、α3表示旋转角度，K1(x,y)、K2(x,y)及旋转角度为密钥，M1(x,y)为第一掩码，M2(x,y)为第二掩码，fq(x,y)为第一矩阵，表示对第一掩码进行四元数旋转变换，表示对第二掩码进行四元数旋转变换，PT[z]表示对方括号内的参数z进行幅度截断。使用该方法获得了多个掩码进行编码后的密钥，在没有得到密钥的情况下很难解码密文，从而保证原多个图像在网络或者其它环境传输的过程中的安全性。
综上，该方法将多个图像用一个矩阵整体表示后，再对该矩阵进行四元数旋转变换、复数矩阵计算、等模分解和编码运算，获得密文和密钥，其中，复数矩阵计算和等模分解运算能够有效地减轻密文相位信息主要集中在纯相位掩码的程度。
为了便于理解，下面介绍本申请实施例提供的图像加密方法另一种实施方式，图像加密方法另一种实施方式具体描述如下：
请参见图3，图3示出了本申请实施例提供的图像加密方法另一种实施方式的示意图。本申请实施例提供的图像加密方法另一种实施方式，具体包括如下步骤：
(1)将尺寸为N×M的图像f1(x,y)、f2(x,y)、f3(x,y)和f4(x,y)按照式(1)表示为四元数矩阵fq(x,y)，即：
fq(x,y)＝f1(x,y)+if2(x,y)+jf3(x,y)+kf4(x,y) (1)
其中，i、j、k满足：ij＝k,jk＝i，ki＝j,i2＝j2＝k2＝-1，ij＝-ji,jk＝-kj，ki＝-ik。
(2)给定参数α1，对矩阵fq(x,y)进行左边型四元数Gyrator变换，
其中，四元数Gyrator变换的计算公式为，
在这里的μ为任意的单位纯四元数，即：μ＝iγ1+jγ2+kγ3且μ2＝-1，{γ1，γ2，γ3}为实数。需要指出的是，对矩阵fq(x,y)也可以进行其他类型的四元数Gyrator变换。当时，该变换等价为四元数Fourier变换。
(3)计算矩阵e(x,y)相应的复数矩阵。假设复数矩阵为Mc(x,y)：
其中，表示复数的共轭，A1＝S(e(x,y))+jX(e(x,y))，A2＝Y(e(x,y))+jZ(e(x,y))，S(·)、X(·)、Y(·)、Z(·)分别表示取四元数矩阵e(x,y)的第1个分量、第2个分量、第3个分量和第4个分量。
(4)根据复数理论，对复数矩阵Mc(x,y)进行等模分解。将Mc(x,y)分割为两个掩码M1(x,y)和M2(x,y)，
其中，A(x,y)、P(x,y)分别表示矩阵Mc(x,y)的幅度和相位，θ(x,y)为服从均匀分布的随机矩阵且0≤θ(x,y)≤1。
(5)对掩码M1(x,y)和M2(x,y)进行相位-幅度截断编码。
C1(x,y)＝AT[E1(x,y)] (8)
K1(x,y)＝PT[E1(x,y)] (9)
C2(x,y)＝AT[E2(x,y)] (11)
K2(x,y)＝PT[E2(x,y)] (12)
其中，旋转角度为α的Gyrator变换计算公式为：
AT[·]、PT[·]分别表示相位截断、幅度截断，α2、α3表示旋转角度。对于输入明文，C1(x,y)和C2(x,y)为最终的编码密文，K1(x,y)、K2(x,y)及旋转角度视为解密密钥。
对上述加密过程进行逆操作，可以恢复出待加密的原始图像。本申请实施例具有以下优势：
(1)采用四元数矩阵表示能够将多图的图像编码为一个整体，具有更高的传输效率；
(2)复数矩阵等模分解将相位信息进行分解，避免了相位信息的集中，可以有效地提高抗攻击强度。
(3)Gyrator变换具有可变换的参数，即旋转角度，有利于提高系统的安全性。
第二实施例
请参见图4，图4示出了本申请实施例提供的图像加密装置结构示意图。本申请实施例还提供了的一种图像加密装置100，应用于电子设备，该图像加密装置100包括：
第一矩阵获得模块110，用于将多个图像按照预设公式用矩阵表示，获得第一矩阵。
第二矩阵获得模块120，用于对第一矩阵进行四元数旋转变换，获得第二矩阵，四元数旋转变换为降低第一矩阵中的轮廓显现的变换运算。
第三矩阵获得模块130，用于对第二矩阵进行复数矩阵计算，获得第三矩阵，复数矩阵计算为降低第二矩阵中的轮廓显现的矩阵运算。
多个掩码获得模块140，用于对第三矩阵进行等模分解，获得多个掩码，等模分解为将第三矩阵的相位信息分解。
密文密钥获得模块150，用于对多个掩码进行编码，获得密文和密钥。
本申请实施例提供一种图像加密方法及装置，首先，通过将多个图像按照预设公式用矩阵表示，获得第一矩阵；然后，对第一矩阵进行四元数旋转变换，获得第二矩阵，四元数旋转变换为降低第一矩阵中的轮廓显现的变换运算；其次，对第二矩阵进行复数矩阵计算，获得第三矩阵，复数矩阵计算为降低第二矩阵中的轮廓显现的矩阵运算；再次，对第三矩阵进行等模分解，获得多个掩码，等模分解为将第三矩阵的相位信息分解；最后，对多个掩码进行编码，获得密文和密钥。也就是说，将多个图像用一个矩阵整体表示后，再对该矩阵进行四元数旋转变换、复数矩阵计算、等模分解和编码运算，获得密文和密钥，其中，复数矩阵计算和等模分解运算能够有效地减轻密文相位信息主要集中在纯相位掩码的程度。通过这种方式有效地减轻了现有技术中密文相位信息主要集中在纯相位掩码中，加密后的密文有轮廓显现的问题。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程，可以参考前述方法中的对应过程，在此不再过多赘述。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于装置类实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本申请实施例的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本申请实施例各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请实施例各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-On l y Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上仅为本申请实施例的优选实施例而已，并不用于限制本申请实施例，对于本领域的技术人员来说，本申请实施例可以有各种更改和变化。凡在本申请实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请实施例的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种图像加密方法，其特征在于，应用于电子设备，包括：
将多个图像按照预设公式用矩阵表示，获得第一矩阵；
对所述第一矩阵进行四元数旋转变换，获得第二矩阵，所述四元数旋转变换为降低所述第一矩阵中的轮廓显现的变换运算；
对所述第二矩阵进行复数矩阵计算，获得第三矩阵，所述复数矩阵计算为降低所述第二矩阵中的轮廓显现的矩阵运算；
对所述第三矩阵进行等模分解，获得多个掩码，所述等模分解为将所述第三矩阵的相位信息分解；
对所述多个掩码进行编码，获得密文和密钥。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将多个图像按照预设公式用矩阵表示，包括：
将多个图像按照fq(x,y)＝f1(x,y)+if2(x,y)+jf3(x,y)+kf4(x,y)用矩阵表示；
其中，(x,y)为空间位置坐标，fq(x,y)为第一矩阵，f1(x,y)为第一图像，f2(x,y)为第二图像，f3(x,y)为第三图像，f4(x,y)为第四图像，i、j、k均为系数，且满足：ij＝k,jk＝i，ki＝j,i2＝j2＝k2＝-1，ij＝-ji,jk＝-kj，ki＝-ik。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述第一矩阵进行四元数旋转变换，获得第二矩阵，包括：
根据对所述第一矩阵进行四元数旋转变换；
其中：(x,y)为空间位置坐标，e(x,y)为所述第二矩阵，fq(x,y)为所述第一矩阵，α为预设旋转角度，(u,v)为空间频率坐标，表示对所述第一矩阵进行旋转角度为α的四元数旋转变换。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对所述第一矩阵进行四元数旋转变换，包括：
根据对所述第一矩阵进行左边型四元数Gyrator变换；
其中：(x,y)为空间位置坐标，fq(x,y)为所述第一矩阵，μ为任意的单位纯四元数，即：μ＝γ1i+γ2j+γ3k且μ2＝-1，i、j、k均为系数，{γ1，γ2，γ3}为实数，α为预设旋转角度，(u,v)为空间频率坐标，Kα(u,v；x,y)为变换核，表示对所述第一矩阵进行旋转角度为α的四元数旋转变换。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对所述第一矩阵进行四元数旋转变换，包括：
根据对所述第一矩阵进行右边型四元数Gyrator变换；
其中：(x,y)为空间位置坐标，fq(x,y)为所述第一矩阵，μ为任意的单位纯四元数，即：μ＝γ1i+γ2j+γ3k且μ2＝-1，i、j、k均为系数，{γ1，γ2，γ3}为实数，α为预设旋转角度，(u,v)为空间频率坐标，Kα(u,v；x,y)为变换核，表示对所述第一矩阵进行旋转角度为α的四元数旋转变换。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述第二矩阵进行复数矩阵计算，获得第三矩阵，包括：
根据A1＝S(e(x,y))+X(e(x,y))j，A2＝Y(e(x,y))+Z(e(x,y))j，以及对所述第二矩阵进行复数矩阵计算，获得第三矩阵；
其中：(x,y)为空间位置坐标，Mc(x,y)为所述第三矩阵，e(x,y)为所述第二矩阵；S(e(x,y))、X(e(x,y))、Y(e(x,y))、Z(e(x,y))分别表示取所述第二矩阵e(x,y)的第一个分量、第二个分量、第三个分量和第四个分量，为复数A1的共轭，为复数A2的共轭，j为系数。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述第三矩阵进行等模分解，获得多个掩码，包括：
根据
对所述第三矩阵进行等模分解，获得第一掩码M1(x,y)和第二掩码M2(x,y)；
其中：(x,y)为空间位置坐标，A(x,y)、P(x,y)分别表示矩阵Mc(x,y)的幅度和相位，M1(x,y)为所述第一掩码，M2(x,y)为所述第二掩码，θ(x,y)为服从均匀分布的随机矩阵，且0≤θ(x,y)≤1，i为系数。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述对所述多个掩码进行编码，获得密文和密钥，包括：
根据和对所述多个掩码进行编码，获得密文；
其中，(x,y)为空间位置坐标，α2、α3表示旋转角度，C1(x,y)和C2(x,y)为所述密文，M1(x,y)为所述第一掩码，M2(x,y)为所述第二掩码，fq(x,y)为第一矩阵，表示对所述第一掩码进行四元数旋转变换，表示对所述第二掩码进行四元数旋转变换，AT[z]表示将方括号内的参数z进行相位截断。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述对所述多个掩码进行编码，获得密文和密钥，包括：
根据和对所述多个掩码进行编码，获得密钥；
其中，(x,y)为空间位置坐标，α2、α3表示旋转角度，K1(x,y)、K2(x,y)及旋转角度为所述密钥，M1(x,y)为所述第一掩码，M2(x,y)为所述第二掩码，fq(x,y)为第一矩阵，表示对所述第一掩码进行四元数旋转变换，表示对所述第二掩码进行四元数旋转变换，PT[z]表示对方括号内的参数z进行幅度截断。
10.一种图像加密装置，其特征在于，应用于电子设备，包括：
第一矩阵获得模块，用于将多个图像按照预设公式用矩阵表示，获得第一矩阵；
第二矩阵获得模块，用于对所述第一矩阵进行四元数旋转变换，获得第二矩阵，所述四元数旋转变换为降低所述第一矩阵中的轮廓显现的变换运算；
第三矩阵获得模块，用于对所述第二矩阵进行复数矩阵计算，获得第三矩阵，所述复数矩阵计算为降低所述第二矩阵中的轮廓显现的矩阵运算；
多个掩码获得模块，用于对所述第三矩阵进行等模分解，获得多个掩码，所述等模分解为将所述第三矩阵的相位信息分解；
密文密钥获得模块，用于对所述多个掩码进行编码，获得密文和密钥。
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| CN201910169000.7A CN109902261B (zh) | 2019-03-06 | 2019-03-06 | 一种图像加密方法及装置 |
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