CN110110539B - 一种基于二维码的集成成像三维信息加密方法 - Google Patents

一种基于二维码的集成成像三维信息加密方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于二维码的集成成像三维信息加密方法，该方法包括三维数据的获取、二维码的生成和二维码的加密三个过程，该方法采用相机阵列获取场景的三维数据，生成微图像阵列，通过二维码技术将微图像阵列以链接的形式存储在二维码中，利用最长细胞自动机对二维码进行像素置乱，再利用斐波那契数列进行加密，有效提升了加密速度，生成的密文图像具有较强的抗干扰和抗攻击能力。

Description

一种基于二维码的集成成像三维信息加密方法
一、技术领域
本发明涉及信息安全领域，更具体地说，特别涉及一种基于二维码的集成成像三维信息加密方法。
二、背景技术
集成成像是一种能够提供全色彩以及准连续视差信息的真三维显示技术，且无需佩戴眼镜或头盔等辅助设备，是受到广泛关注的真三维显示技术之一。随着科学技术的发展，三维信息在互联网教育和军事通讯等领域的安全传输愈发引起了关注，为了保护授权用户的隐私，保证合法的数据访问，集成成像三维信息安全成为信息存储和传输中一个亟待解决的重要问题。加密技术是保证信息安全的一种手段，基于细胞自动机的图像加密方法由于具有并行计算能力和较高的安全性而被广泛应用。最长细胞自动机得到的伪随机数在图像加密中起着非常重要的作用，但是由于三维彩色图像受限于尺寸大、冗余度高(数据量过于庞大)等，在加密过程中会降低加密的运算速度。
三、发明内容
本发明提出一种基于二维码的集成成像三维信息加密方法，所述方法采用相机阵列获取场景的三维数据，生成微图像阵列，通过二维码技术将微图像阵列以链接的形式存储在二维码中，再利用最长细胞自动机系统对二维码进行像素置乱，最后利用斐波那契数列进行加密，获得密文图像。得到的密文图像具有较强的抗干扰和抗攻击能力，因此能够实现集成成像三维信息的高效快速加密。所述方法包括三维数据的获取、二维码的生成和二维码的加密三个过程。具体流程如附图1所示。
所述三维数据的获取过程，可采用真实相机阵列对三维场景进行拍摄，也可在计算机图形软件中建立虚拟相机阵列对三维模型进行拍摄，获得三维场景不同角度的视差信息，通过像素交织生成微图像阵列，微图像阵列包含三维场景的水平和垂直视差信息。
所述二维码的生成过程，将微图像阵列分为红(R)、绿(G)和蓝(B)三组单色图像分量，R、G和B三组单色图像分量均包含X×Y个像素，将三组单色图像分量分别生成大小为M×N的二维码图像Qr、Qg和Qb，其中Qr表示红色分量对应的二维码图像，Qg表示绿色分量对应的二维码图像，Qb表示蓝色分量对应的二维码图像。
所述二维码的加密过程，利用最长细胞自动机系统，对二维码图像Qr、Qg和Qb分别进行加密。针对R分量对应的二维码图像Qr(m,n)，利用具有0和1两个状态的3邻域细胞自动机对其进行加密，3邻域细胞自动机具有
Figure BDA0002056295280000021
个转换规则，在256个转换规则中选择一对具有可逆性的规则r1和r2，构造最大长度循环，生成伪随机序列，8个单元格的最大长度混合细胞自动机具有的规则是(f0,f1,f2,f3,f4,f5,f6,f7)，其中f0,f1,f2,f3,f4,f5,f6,f7是与可逆规则r1和r2中任意一个相同的规则。使用伪噪声序列生成与Qr大小相同的二维最长细胞自动机掩码B(m,n)，将其作为密钥对R分量对应的二维码图像Qr(m,n)做异或运算，得到R分量对应的二维码密文Mr(m,n)，表示为：
Figure BDA0002056295280000022
利用斐波那契数列对二维码密文Mr(m,n)进行像素置乱，得到R分量对应的密文图像Fr(m,n)。针对G分量对应的二维码图像Qg(m,n)，利用最长细胞自动机对其进行与R分量相同的加密操作，得到G分量对应的二维码密文Mg(m,n)，表示为：
Figure BDA0002056295280000023
利用斐波那契数列对Mg(m,n)进行像素置乱，得到G分量对应的密文图像Fg(m,n)。对B分量对应的二维码图像Qb(m,n)，利用最长细胞自动机进行与R分量和G分量相同的加密操作，得到B分量对应的二维码密文Mb(m,n)，表示为：
Figure BDA0002056295280000024
利用斐波那契数列对Mb(m,n)进行置乱，得到B分量对应的密文图像Fb(m,n)。
将获得的三个密文图像Fr(m,n)，Fg(m,n)和Fb(m,n)组合，生成最终的彩色密文图像F′(m,n,i)，其中i＝1,2,3，表示为：
Figure BDA0002056295280000025
本发明将集成成像三维信息转换为二维码形式，利用最长细胞自动机系统对二维码图像进行加密，有效提升了加密速度，同时利用斐波那契数列对密文二维码图像进行置乱，防止了在最长细胞自动机加密过后，攻击者因图像具有边缘效应通过暗示破解密文，因此生成的密文图像具有较强的抗干扰和抗攻击能力。
四、附图说明
本发明的前述方面及优点从下述结合附图与实施例的详细描述中将得以进一步明确和容易理解，其中：
附图1为本发明提出的一种基于二维码的集成成像三维信息加密方法流程图
附图2为三维数据获取过程中生成的微图像阵列
附图3为(a)微图像阵列的R分量，(b)微图像阵列的G分量和(c)微图像阵列的B分量
附图4为(a)微图像阵列R分量对应的二维码图像，(b)微图像阵列G分量对应的二维码图像和(c)微图像阵列B分量对应的二维码图像
附图5为(a)微图像阵列R分量对应的密文二维码图像，(b)微图像阵列G分量对应的密文二维码图像和(c)微图像阵列B分量对应的密文二维码图像
附图6为(a)R分量对应的密文图像，(b)G分量对应的密文图像和(c)B分量对应的密文图像
附图7为彩色密文图像
应该理解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提出的一种基于二维码的集成成像三维信息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前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。
本发明提出的一种基于二维码的集成成像三维信息加密方法具体包括三维数据的获取、二维码的生成和二维码的加密三个过程，具体流程如附图1所示。
所述三维数据的获取过程，在计算机图形软件中建立虚拟相机阵列对三维模型进行拍摄，获得三维场景不同角度的视差信息，通过像素交织生成微图像阵列，如附图2所示。微图像阵列包含三维场景的水平和垂直视差信息。
所述二维码的生成过程，将微图像阵列分为红(R)、绿(G)和蓝(B)三组单色图像分量，R、G和B三组单色图像分量均包含X×Y＝1920×1080个像素，如附图3所示。将三组单色图像分量分别生成大小为M×N＝500×500的二维码图像Qr、Qg和Qb，其中Qr表示红色图像分量的二维码，Qg表示绿色图像分量的二维码，Qb表示蓝色图像分量的二维码，如附图4所示。
所述二维码的加密过程，利用最长细胞自动机系统，对二维码图像Qr，Qg和Qb分别进行加密，针对R分量对应的二维码图像Qr(m,n)，利用具有0和1两个状态的3邻域细胞自动机对其进行加密，3邻域的细胞自动机具有
Figure BDA0002056295280000041
个转换规则，在256个转换规则中选择一对具有可逆性的规则r1＝90和r2＝150，构造最大长度循环，生成伪随机序列，8个单元格的最大长度混合细胞自动机具有的规则是(f0＝150,f1＝90,f2＝150,f3＝90,f4＝90,f5＝90,f6＝150,f7＝90)，使用这个伪噪声序列生成与Qr大小相同的二维最长细胞自动机掩码B(m,n)，将其作为密钥对R分量对应的二维码图像Qr(m,n)做异或运算，如附图5所示，得到R分量对应的二维码密文Mr(m,n)，表示为：
Figure BDA0002056295280000042
利用斐波那契数列对二维码密文Mr(m,n)进行像素置乱，得到R分量的密文图像Fr(m,n)，如附图6(a)所示。针对G分量对应的二维码图像Qg(m,n)，利用最长细胞自动机对其进行与R分量相同的加密操作，得到G分量对应的二维码密文Mg(m,n)，表示为：
Figure BDA0002056295280000043
利用斐波那契数列对Mg(m,n)进行像素置乱，得到G分量对应的密文图像Fg(m,n)。对B分量对应的二维码图像Qb(m,n)，利用最长细胞自动机进行与R分量和G分量相同的加密操作，得到B分量对应的二维码密文Mb(m,n)，表示为：
Figure BDA0002056295280000044
生成的密文再利用斐波那契数列进行置乱，得到B分量的密文图像Fb(m,n)。
将获得的三个密文图像Fr(m,n)，Fg(m,n)和Fb(m,n)组合，生成最终的彩色密文图像F′(m,n,i)，如附图7所示，其中i＝1,2,3，表示为：
Figure BDA0002056295280000051

Claims (1)

1.一种基于二维码的集成成像三维信息加密方法，其特征在于，所述方法包括三维数据的获取、二维码的生成和二维码的加密三个过程；
所述三维数据的获取过程，可采用真实相机阵列对三维场景进行拍摄，也可在计算机图形软件中建立虚拟相机阵列对三维模型进行拍摄，获得三维场景不同角度的视差信息，通过像素交织生成微图像阵列，微图像阵列包含三维场景的水平和垂直视差信息；
所述二维码的生成过程，将微图像阵列分为红(R)、绿(G)和蓝(B)三组单色图像分量，R、G和B三组单色图像分量均包含X×Y个像素，将三组单色图像分量分别生成大小为M×N的二维码图像Qr、Qg和Qb，其中Qr表示红色分量对应的二维码图像，Qg表示绿色分量对应的二维码图像，Qb表示蓝色分量对应的二维码图像；
所述二维码的加密过程，利用最长细胞自动机系统，对二维码图像Qr、Qg和Qb分别进行加密，针对R分量对应的二维码图像Qr(m,n)，利用具有0和1两个状态的3邻域细胞自动机对其进行加密，3邻域细胞自动机具有
Figure FDA0003819458220000011
个转换规则，在256个转换规则中选择一对具有可逆性的规则r1和r2，构造最大长度循环，生成伪随机序列，8个单元格的最大长度混合细胞自动机具有的规则是(f0,f1,f2,f3,f4,f5,f6,f7)，其中f0,f1,f2,f3,f4,f5,f6,f7是与可逆规则r1和r2中任意一个相同的规则，使用伪噪声序列生成与Qr大小相同的二维最长细胞自动机掩码B(m,n)，将其作为密钥对R分量对应的二维码图像Qr(m,n)做异或运算，得到R分量对应的二维码密文Mr(m,n)，表示为：Mr(m,n)＝Qr(m,n)⊕B(m,n)，利用斐波那契数列对二维码密文Mr(m,n)进行像素置乱，得到R分量对应的密文图像Fr(m,n)，针对G分量对应的二维码图像Qg(m,n)，利用最长细胞自动机对其进行与R分量相同的加密操作，得到G分量对应的二维码密文Mg(m,n)，表示为：Mg(m,n)＝Qg(m,n)⊕B(m,n)，利用斐波那契数列对Mg(m,n)进行像素置乱，得到G分量对应的密文图像Fg(m,n)，对B分量对应的二维码图像Qb(m,n)，利用最长细胞自动机进行与R分量和G分量相同的加密操作，得到B分量对应的二维码密文Mb(m,n)，表示为：Mb(m,n)＝Qb(m,n)⊕B(m,n)，利用斐波那契数列对Mb(m,n)进行置乱，得到B分量对应的密文图像Fb(m,n)，将获得的三个密文图像Fr(m,n)，Fg(m,n)和Fb(m,n)组合，生成最终的彩色密文图像F′(m,n,i)，其中i＝1,2,3，表示为：
Figure FDA0003819458220000012
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