CN110312055A - 一种基于光场子孔径图像的多图像加密方法和解密方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于光场子孔径图像的多图像加密方法和解密方法，本发明基于微透镜阵列的光场成像模式，整个加密过程简单，密钥空间大，密钥敏感度非常高，对多幅图像的加密一次完成，大大降低了多幅图像加密的复杂度，提高了加密效率；并且把多幅图像融合为一张加密图像，有利于图像信息的网络传输；本法发明能够构造多个光场成像系统，形成级联加密系统，进一步扩大密钥空间，提高加密安全性；本发明可方便地与其他二维加密方法相结合，进一步提高加密效果；本方法可以采用光学方法实现，也可采取计算成像的方式在计算机中实现。

Description

一种基于光场子孔径图像的多图像加密方法和解密方法
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域，尤其涉及一种基于光场子孔径图像的多图像加密方法和解密方法。
背景技术
随着互联网技术和信息技术的不断发展，多媒体数据如音频、图片、视频等的应用越来越广泛，并作为一种网络信息传输资源以它的普遍性、共享性、可处理性和多效用性，已经成为包括了政治、经济、军事、教育等各行各业中不可或缺的一部分。
其中图像加密技术是多媒体信息安全中的核心技术，而传统的数据加密算法的计算对象主要是对文本数据或者二进制数据，通常计算复杂度较高。因此传统的数据加密算法无法满足图像数据具有的大量数据、高度冗余性、以及相邻像素的高相关性的特点。
当前常用的图像加密算法大多是基于混沌理论，利用图像的矩阵特性。在混沌理论下的图像加密算法结构体系，将图像加密过程分成了置乱和扩散两个互不相关的子过程。在置乱过程中，利用指定的混沌映射关系对明文图像中像素点重新排列，从而降低像素间位置的相关性。扩散过程使用一维或二维混沌可逆映射将置乱后的明文图像的像素尽可能快地散布到多个输出的密文像素中，从而隐蔽明文图像的直方图分布。通过对图像的置乱和扩散，使得密文图像相邻像素不存在相关性，并且以随机形式出现，从而达到保护明文图像的作用。但该解密算法对密文极其敏感，在网络环境传输情况下，一旦出现误码将会导致图像无法解密。
在图像加密领域，已提出的加密算法主要是针对单幅图像的加密方法。对于多幅图像的加密，往往采用重复执行单幅图像加密方法来实现，该方法虽然加密安全性高，但执行效率较低。
将各种光学加密技术引入到图像加密中成为近年来的研究热点，例如在傅里叶域、离散余弦变换域和菲涅尔域等。虽然这些光学加密技术具有高速处理多维数据的能力，但是对于图像的加密仅停留在单图像或双图像。对于双图像加密，可见报导都是将相位掩码作为私有密钥，但此方法不利于密钥储存、传输和管理。
光场成像技术是通过记录光辐射在传播过程中的四维位置和方向的信息，从而能够获得更加丰富的图像信息。将光场成像用于图像加密方面，有人提出通过实际的透镜阵列对单个目标图像加密，由于相邻透镜所产生的信息冗余量和透镜阵列对明文信息成像的分散性，起到对明文的加密的作用，但在加密过程中，被加密图像的有效采集距离有限，且在图像复原过程中，由于解密算法与加密图像相关性较高，被解密图像的重建效果对于图像解密算法依赖性较高，解密重建方法不具备同一性，不同图像的解密方法会造成解密图像关键信息容易造成失真或丢失。且加密图像数量局限于单幅图像，自身计算量又较大，加密效率较低。
发明内容
本发明的目的在于提出一种可以实现对多幅图像同时加密、加密过程简单、加密效率高以及加密安全性高的基于光场子孔径图像的多图像加密方法和解密方法。
为达到上述目的，本发明提出一种基于光场子孔径图像的多图像加密方法，包括以下步骤：
步骤1.1：将多幅待加密的图像拼接为一幅图像；
步骤1.2：构建基于微透镜阵列的光场成像系统；
步骤1.3：将拼接好的代加密图像通过所述光场成像系统采集得到光场图像，并获得其中的宏像素图像；
步骤1.4：通过所述宏像素图像提取得到子孔径图像集合；
步骤1.5：将所述集合内的子孔径图像按顺序拼接形成加密图像。
优选的，在步骤1.1中，准备数量为A×A的待加密图像，单幅所述待加密图像像素为B×B，拼接好的组合图像总像素数为：A×A×B×B。
优选的，在步骤1.2中，具体为，构造的所述光场成像系统包括一个焦距为f’main的主镜头、一个包含N×N个微透镜的微透镜阵列和置于系统尾端的离散型图像接收器；其中，每个所述微透镜覆盖的探测器上的像素数为M×M，M×M个像素构成一个宏像素，所述探测器探测到的总的像素数目为M×N×M×N；
选择参数使得：A×B×A×B＝M×M×N×N；所述微透镜阵列位于所述主镜头的焦平面附近，所述离散型图像接收器与所述微透镜阵列间的距离b；所述微透镜阵列与所述主镜头焦平面间的距离a，以及所述微透镜的焦距f′三者之间满足高斯成像公式：
优选的，在步骤1.3中，将拼接好的所述待加密图像通过所述光场成像系统计算得到光场图像，实现光场信息的采集；得到的所述光场图像对应于每一个宏像素所采样的图像，称为一个宏像素图像。
优选的，在步骤1.4中，在得到的所述光场图像中，把每个所述宏像素图像中的相同位置的像素按照该宏像素所对应的微透镜在阵列中所处位置进行排列组合，得到该位置的像素单元集，即为子孔径图像；对所有所述宏像素图像中的所有像素位置都进行相同的操作，得到M×M个子孔径图像，每个子孔径图像包含N×N个像素.
优选的，在步骤1.5中，将M×M个所述子孔径图像按所对应的像素在宏像素图像中所处位置顺序进行拼接，可得到子孔径图像集合，即加密图像。
优选的，在步骤1.5中，加密图像与被加密图像的像素值与像素位置的对应变化关系按照如下公式进行：
S’(x’,y’)＝S(x,y)
其中，S(x,y)为待加密图像在坐标(x,y)的像素值，S’(x’,y’)为加密图像在坐标(x',y')的像素值。(x,y)为待加密图像坐标系中坐标值，(x',y')为加密图像坐标系中的坐标值，且1≤x≤M×N，1≤y≤M×N，1≤x’≤M×N，1≤y’≤M×N。N为微透镜的数量，M为微透镜的像素数，floor表示向下取整操作。
本发明还提出一种基于光场子孔径图像的多图像解密方法，用于对权利要求1-7中任意一项所述基于光场子孔径图像的多图像加密方法的解密，其特征在于，包括以下步骤：
步骤2.1：构建与加密过程相同的光场成像系统；
步骤2.2：对加密图像进行分割，得到多个子孔径图像；
步骤2.3：提取并重组多个所述子孔径图像，得到多个宏像素图像；
步骤2.4：对多个所述宏像素进行拼接，得到光场图像，即解密组合图像；
步骤2.5：对所述解密组合图像进行分割，得到原始图像，完成解密。
优选的，在步骤2.1中，具体的步骤为：根据密钥M、N、f’main、a、b、f’，构造的所述光场成像系统包括一个焦距为f’main的主镜头、一个包含N×N个微透镜的微透镜阵列和置于系统尾端的离散型图像接收器；其中，每个所述微透镜覆盖的探测器上的像素数为M×M，M×M个像素够成一个宏像素，所述探测器探测到的总的像素数目为M×N×M×N；
选择参数使得：A×B×A×B＝M×M×N×N；所述微透镜阵列位于所述主镜头的焦平面附近，所述离散型图像接收器与所述微透镜阵列间的距离b；所述微透镜阵列与所述主镜头焦平面间的距离a，以及所述微透镜的焦距f′三者之间满足高斯成像公式：
优选的，在步骤2.2中，具体的步骤为：根据所述密钥将加密图像分割为M×M个子孔径图像，每个所述子孔径图像包含N×N个像素。
优选的，在步骤2.3中，具体的步骤为：把每个所述子孔径图像中的相同位置的像素按照其在子孔径图像集中的排列顺序进行排列，得到一个宏像素图像，对所有所述子孔径图像中的N×N个像素做同样的操作，得到N×N个所述宏像素图像，每个所述宏像素图像中有M×M个像素。
优选的，在步骤2.4中，将N×N个所述宏像素图像按照该宏像素对应的所述微透镜在阵列中的位置顺序进行拼接，即得到解密组合图像。
其中解密图像与加密图像的像素值与像素位置的对应变化关系按照如下公式进行：
S”(x,y)＝S’(x’,y’)
其中，S”(x,y)为解密图像在坐标(x,y)点的像素值，S’(x’,y’)为加密图像在坐标(x',y')点的像素值，(x',y')为加密图像坐标系中坐标值，(x,y)为解密图像坐标系中坐标值，且1≤x≤M×N，1≤y≤M×N，1≤x’≤M×N，1≤y’≤M×N。N为微透镜的数量，M为微透镜的像素数，floor表示向下取整操作。
优选的，在步骤2.5中，将解密图像的组合图像按照图像数量为A×A，单幅图像像素数为B×B进行分割，得到A×A幅原始图像。
与现有技术相比，本发明的优势之处在于：本发明基于微透镜阵列的光场成像模式，整个加密过程简单，密钥空间大，密钥敏感度非常高，对多幅图像的加密一次完成，大大降低了多幅图像加密的复杂度，提高了加密效率；
并且把多幅图像融合为一张加密图像，有利于图像信息的网络传输；本法发明能够构造多个透镜系统，使之成为级联加密系统，进一步扩大密钥空间，提高加密安全性；本发明可方便地与其他二维加密方法相结合，进一步提高加密效果；本方法可以采用光学方法实现，也可采取计算成像的方式在计算机中实现。
附图说明
图1为光场相机示意图；
图2为本发明的多幅待加密图像；
图3为本发明的待加密图像组合图像；
图4为本发明获得的加密图像；
图5为本发明获得的解密图像；
图6为本发明的采用3次级联加密后获得的加密图像；
图7为本发明在解密过程中当其中一个密钥错误时的解密图像；
图8为本发明加密方法与混沌加密结合的加密图；
图9为本发明加密方法与重力加密方法结合的加密图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案作进一步地说明。
对图像进行加密：
步骤1.1：将多幅待加密图像1按任意顺序组合拼接为一幅图像，如图3所示，其中，待加密图像1数量为A×A(不失一般性的，实施例中选择A×A＝3×3)，单幅图像像素数为B×B(不失一般性的，实施例中选择B×B＝500×500)，拼接好的组合图像总像素数为：A×A×B×B＝1500×1500。
步骤1.2：构建基于微透镜阵列3的光场成像系统
如图1所示，在计算机中构造光场成像系统，不失一般性的，其中主镜头2放大率取为1；一个包含N×N(实施例中选择N×N＝3×3)个微透镜的微透镜阵列3；和放置在微透镜阵列3后的离散型图像接收器4(如CCD或CMOS器件)，每个微透镜所覆盖的探测器上的像元数为M×M(实施例中选择M×M＝500×500)。
步骤1.3：采集宏像素图像；
将拼接好的待加密图像1通过上步中构建出的光场成像系统成像得到光场图像X1，实现光场信息的采集。对应于每一个宏像素所采样的图像，称为一个宏像素图像。
步骤1.4：子孔径图像的提取；
把每个宏像素图像中的相同位置的像素按照该宏像素所对应的微透镜在阵列中所处位置进行排列组合，得到该位置的像素单元集，即为子孔径图像。对所有宏像素图像中的所有像素位置都进行相同的操作，得到500×500个子孔径图像，每个子孔径图像包含3×3个像素。
步骤1.5：将所有子孔径图像按所对应的像素在宏像素图像中所处位置顺序进行拼接，可得到整幅光场图像的子孔径图像，即加密图像。
加密过程中像素位置的变化按照如下公式进行：
S’(x’,y’)＝S(x,y)
其中，S(x,y)为待加密图像1在坐标(x,y)的像素值，S’(x’,y’)为加密图像在坐标(x',y')的像素值。(x,y)为待加密图像1坐标系中坐标值，(x',y')为加密图像坐标系中的坐标值，且1≤x≤M×N，1≤y≤M×N，1≤x’≤M×N，1≤y’≤M×N。N为微透镜的数量，M为微透镜的像素数，floor表示向下取整操作。
解密方法为加密方法的逆过程，解密的具体实施步骤如下：
步骤2.1：按照密钥参数，构建与加密过程相同的光场成像系统
按照给定密钥M，N，f’，在计算机中构造与解密过程相同的光场成像系统：微透镜的微透镜阵列3个数M×M＝500×500，每个微透镜所覆盖的探测器上的像元数N×N＝3×3。
步骤2.2：提取子孔径图像；
根据密钥将加密图像分割为M×M＝500×500个子孔径图像，每个子孔径图像包含N×N＝3×3个像素。
步骤2.3：宏像素图像提取与拼接；
把每个子孔径图像中的相同位置的像素按照其在子孔径图像集中的排列顺序进行排列，得到一个宏像素图像，对每个子孔径图像中的3×3个像素做同样的操作，得到3×3个宏像素图像，每个宏像素图像中有500×500个像素。将3×3个宏像素图像按照该宏像素对应的微透镜在阵列中的位置顺序进行拼接，即得到解密图像的组合图像
其中像素位置的变化按照如下公式进行：
S”(x,y)＝S’(x’,y’)
其中，S”(x,y)为解密图像在坐标(x,y)的像素值，S’(x’,y’)为加密图像在坐标(x',y')点的像素值，(x',y')为加密图像坐标系中坐标值，(x,y)为解密图像坐标系中坐标值，且1≤x≤M×N，1≤y≤M×N，1≤x’≤M×N，1≤y’≤M×N。N为微透镜的数量，M为微透镜的像素数，floor表示向下取整操作。
步骤2.4：对解密组合图像进行分割；
将解密图像的组合图像按照图像数量为A×A(实施例中选择A×A＝3×3)，单幅图像像素数为B×B(实施例中选择B×B＝500×500)进行分割，得到A×A＝3×3幅原始图像。
为表现本发明的加密效果，选取了9幅待加密图像1，如图2中(a)-(i)所示。将9幅图像拼接后的图如图3所示。利用本发明加密方法对9幅待加密图像1进行加密，获得加密图像如图4所示。利用本发明的解密方法对加密图像进行解密并分割，获得解密图像如图5所示。本发明还能够通过构造多个光场系统，使之成为级联加密系统，进一步扩大密钥空间，提高加密安全性。如图6所示，为使用了3次级联加密后获得加密图像。
本发明的加密方法的密钥敏感度极高，例如当其中一个密钥参数N输入错误时将不能获得正确的解密图像，如图7所示。利用本发明的加密方法还能够与其他已有的单幅图像加密方法相结合，从而提高了加密效率。例如与混沌加密结合后获得加密图像，如图8所示；与重力加密结合后获得加密图像，如图9所示。
由此可见，本发明基于微透镜阵列3的光场成像模式，整个加密过程简单，密钥空间大，密钥敏感度非常高，对多幅图像的加密一次完成，大大降低了多幅图像加密的复杂度，提高了加密效率；并且把多幅图像融合为一张加密图像，有利于图像信息的网络传输；本法发明能够构造多个透镜系统，使之成为级联加密系统，进一步扩大密钥空间，提高加密安全性；本发明可方便地与其他二维加密方法相结合，进一步提高加密效果；本方法可以采用光学方法实际搭建光场成像系统来实现，也可采取计算成像的方式在计算机中实现
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种基于光场子孔径图像的多图像加密方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.1：将多幅待加密的图像拼接为一幅图像；
步骤1.2：构建基于微透镜阵列的光场成像系统；
步骤1.3：将拼接好的待加密图像通过所述光场成像系统采集得到光场图像，并获得其中的宏像素图像；
步骤1.4：通过所述宏像素图像提取得到子孔径图像集合；
步骤1.5：将所述集合内的子孔径图像按顺序拼接形成加密图像。
2.根据权利要求1所述的基于光场子孔径图像的多图像加密方法，其特征在于，在步骤1.1中，准备数量为A×A的待加密图像，单幅所述待加密图像像素为B×B，拼接好的组合图像总像素数为：A×A×B×B。
3.根据权利要求2所述的基于光场子孔径图像的多图像加密方法，其特征在于，在步骤1.2中，具体为，构造的所述光场成像系统包括一个焦距为f’main的主镜头、一个包含N×N个微透镜的微透镜阵列和置于系统尾端的离散型图像接收器；其中，每个所述微透镜覆盖的探测器上的像素数为M×M，这M×M个像素构成一个宏像素，所述探测器探测到的总的像素数目为M×N×M×N；
选择参数使得：A×B×A×B＝M×M×N×N；所述微透镜阵列位于所述主镜头的焦平面附近，所述离散型图像接收器与所述微透镜阵列间的距离b；所述微透镜阵列与所述主镜头焦平面间的距离a，以及所述微透镜的焦距f′三者之间满足高斯成像公式：
4.根据权利要求3所述的基于光场子孔径图像的多图像加密方法，其特征在于，在步骤1.3中，将拼接好的所述待加密图像通过所述光场成像系统成像，得到光场图像，实现光场信息的采集；得到的所述光场图像对应于每一个宏像素所采样的图像，称为一个宏像素图像。
5.根据权利要求4所述的基于光场子孔径图像的多图像加密方法，其特征在于，在步骤1.4中，在得到的所述光场图像中，把每个所述宏像素图像中的相同位置的像素按照该宏像素所对应的微透镜在阵列中所处位置进行排列组合，得到该位置的像素单元集，即为子孔径图像；对所有所述宏像素图像中的所有像素位置都进行相同的操作，得到M×M个子孔径图像，每个子孔径图像包含N×N个像素。
6.根据权利要求5所述的基于光场子孔径图像的多图像加密方法，其特征在于，在步骤1.5中，将M×M个所述子孔径图像按所对应的像素在宏像素图像中所处位置顺序进行拼接，可得到整幅光场图像的子孔径图像，即加密图像。
7.根据权利要求6所述的基于光场子孔径图像的多图像加密方法，其特征在于，在步骤1.5中，加密图像与被加密图像的像素值与像素位置的对应变化关系按照如下公式进行：
S’(x’,y’)＝S(x,y)
其中，S(x,y)为待加密图像在坐标(x,y)的像素值，S’(x’,y’)为加密图像在坐标(x',y')的像素值。(x,y)为待加密图像坐标系中坐标值，(x',y')为加密图像坐标系中的坐标值，且1≤x≤M×N，1≤y≤M×N，1≤x’≤M×N，1≤y’≤M×N。N为微透镜的数量，M为微透镜的像素数，floor表示向下取整操作。
8.一种基于光场子孔径图像的多图像解密方法，用于对权利要求1-7中任意一项所述基于光场子孔径图像的多图像加密方法的解密，其特征在于，包括以下步骤：
步骤2.1：构建与加密过程相同的光场成像系统；
步骤2.2：对加密图像进行分割，得到多个子孔径图像；
步骤2.3：提取并重组多个所述子孔径图像，得到多个宏像素图像；
步骤2.4：对多个所述宏像素进行拼接，得到光场图像，即解密组合图像；
步骤2.5：对所述解密组合图像进行分割，得到原始图像，完成解密。
9.根据权利要求8所述的基于光场子孔径图像的多图像解密方法，其特征在于，在步骤2.1中，具体的步骤为：根据密钥M、N、f’main、a、b、f’，构造的所述光场成像系统包括一个焦距为f’main的主镜头、一个包含N×N个微透镜的微透镜阵列和置于系统尾端的离散型图像接收器；其中，每个所述微透镜覆盖的探测器上的像素数为M×M，这M×M个像素够成一个宏像素，所述探测器探测到的总的像素数目为M×N×M×N；
选择参数使得：A×B×A×B＝M×M×N×N；所述微透镜阵列位于所述主镜头的焦平面附近，所述离散型图像接收器与所述微透镜阵列间的距离b；所述微透镜阵列与所述主镜头焦平面间的距离a，以及所述微透镜的焦距f′三者之间满足高斯成像公式：
10.根据权利要求9所述的基于光场子孔径图像的多图像解密方法，其特征在于，在步骤2.2中，具体的步骤为：根据所述密钥将加密图像分割为M×M个子孔径图像，每个所述子孔径图像包含N×N个像素。
11.根据权利要求10所述的基于光场子孔径图像的多图像解密方法，其特征在于，在步骤2.3中，具体的步骤为：把每个所述子孔径图像中的相同位置的像素按照其在子孔径图像集中的排列顺序进行排列，得到一个宏像素图像，对所有所述子孔径图像中的N×N个像素做同样的操作，得到N×N个所述宏像素图像，每个所述宏像素图像中有M×M个像素。
12.根据权利要求11所述的基于光场子孔径图像的多图像解密方法，其特征在于，在步骤2.4中，将N×N个所述宏像素图像按照该宏像素对应的所述微透镜在阵列中的位置顺序进行拼接，即得到解密组合图像。
其中解密图像与加密图像的像素值与像素位置的对应变化关系按照如下公式进行：
S”(x,y)＝S’(x’,y’)
其中，S”(x,y)为解密图像在坐标(x,y)点的像素值，S’(x’,y’)为加密图像在坐标(x',y')点的像素值，(x',y')为加密图像坐标系中坐标值，(x,y)为解密图像坐标系中坐标值，且1≤x≤M×N，1≤y≤M×N，1≤x’≤M×N，1≤y’≤M×N。N为微透镜的数量，M为微透镜的像素数，floor表示向下取整操作。
13.根据权利要求12所述的基于光场子孔径图像的多图像解密方法，其特征在于，在步骤2.5中，将解密图像的组合图像按照图像数量为A×A，单幅图像像素数为B×B进行分割，得到A×A幅原始图像。
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