CN110740226A - 基于数据容器和相位迭代恢复过程的光学图像加密方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数据容器和相位迭代恢复过程的光学图像加密方法，步骤包括：1)通过基于QR码约束条件的数据容器，将待加密的字符转换成点阵图像；2)基于QR码约束条件的数据容器，经过双随机相位编码加密系统加密为强度密文图像；3)密文通过相位迭代过程恢复出解密图像，并将其重新转换成字符，解密的过程是多次的迭代过程，首先由随机或给定的预估值开始，多次迭代后，当迭代结果与密文的相关系数CC值达到阈值B时结束迭代过程，此时的迭代结果即恢复出的明文信息。本发明的方法，基于QR码约束条件的数据容器，便于数据的传输与存储，且该容器不需要第三方转换工具的支持，增强了安全性和效率，具有良好鲁棒性。

Description

基于数据容器和相位迭代恢复过程的光学图像加密方法

技术领域

本发明属于技术领域，涉及一种基于数据容器和相位迭代恢复过程的光学图像加密方法。

背景技术

作为一种新的、高效率的图像加密方式，光学图像加密技术己吸引了众多学者对其进行研究。Javidi和Refregier于1995年首次提出在4-f系统中利用双随机相位编码(double-random phase encoding，DRPE)技术进行图像加密的方法，之后该课题组相继提出了各种各样改进的及新的光学图像加密方法。基于DRPE的光学图像加密方法一经提出便得到了诸多研究人员的关注，该加密系统利用两块统计独立的随机相位板分别对输入平面及傅立叶频谱面上的光场进行调制，从而得到类似噪声的密文。这种系统简单易实现、可拓展性强、抗干扰能力强，但是也有一些不足之处，例如该系统是线性系统，明文与密文之间的线性关系使得该系统容易遭受选择明文、选择密文以及己知明文攻击，因此存在一定的安全隐患；图像经DRPE系统加密后的结果为复振幅分布，给密文的传输和存储造成了不便；在加密和解密的过程中，各元件需要精确对准，实际操作时难度较大；解密过程中要用到加密相位板的复共轭，增加了制造难度和成本。

针对这些问题，一些改进的及新的方案被陆续提出。一方面，DRPE及其变化与傅里叶变换的不同推广相结合，如分数傅里叶变换、菲涅耳变换、回转变换和分数Mellin变换，这些组合产生了多样化的光学图像加密方案。鉴于这些变换的线性特性，在许多方案中已经利用混沌映射(例如逻辑映射)来克服它们对常规攻击(例如选择明文攻击)的脆弱性。这些基于非线性动力学的函数是遍历的、伪随机的，并且对初始条件或控制参数敏感。另一方面，为了增强加密系统的鲁棒性或提供额外的密钥空间，各种光学加密方案将DRPE与不同的光学技术相结合，如联合变换相关器、干涉、衍射成像、重影成像、数字全息术和压缩感知等。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于数据容器和相位迭代恢复过程的光学图像加密方法，解决了现有技术中系统的安全性和效率难以兼顾，在传输和存储造、实际操作、制造难度和成本方面均存在不足的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于数据容器和相位迭代恢复过程的光学图像加密方法，按照以下步骤实施：

步骤1：通过基于QR码约束条件的数据容器，将待加密的字符转换成点阵图像；

步骤2：基于QR码约束条件的数据容器，经过双随机相位编码加密系统加密为强度密文图像；

步骤3：密文通过相位迭代过程恢复出解密图像，并将其重新转换成字符，

解密的过程是多次的迭代过程，首先由随机或给定的预估值开始，经过多次迭代后，当迭代结果与密文的相关系数CC值达到阈值B时结束迭代过程，此时的迭代结果即恢复出的明文信息。

本发明的有益效果是，该新型的数据容器，称之为基于QR码约束条件的数据容器，便于数据的传输与存储，且该容器不需要第三方转换工具的支持，增强了系统的安全性和效率；待加密信息经过一系列光学变换，得到的密文图像为实值函数，它与复函数相比，更加便于存储、管理和传输，且本加密系统对闭塞攻击和噪声攻击具有良好的鲁棒性。

附图说明

图1是本发明方法的密文生成流程图；

图2是本发明方法的解密流程图；

图3是待加密内容“XAUT Ghost Imaging”转换的数据容器；

图4是提取的QR码位置检测图案；

图5是基于QR码约束条件的数据容器；

图6是本发明方法生成的密文；

图7是本发明方法解密过程的恢复结果；

图8是当密钥RPM₁稍有偏差时的解密结果；

图9是当密钥RPM₂稍有偏差时的解密结果；

图10是当密钥RPM₁和RPM₂都有偏差时的解密结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的方法，按照以下步骤实施：

步骤1：通过基于QR码约束条件的数据容器，将待加密的字符转换成点阵图像，

通过基于QR码约束条件的数据容器将待加密字符的二进制ASCII码转换成数据容器，该数据容器由12×12个小正方形组成，每个小正方形代表一位数据信息，则该容器的容量为144位信息，即包含18个字符；小正方形的尺寸为3×3像素，其包含的数据信息的值由九个像素的平均值决定，设定一个预定的阈值A，当平均值大于或小于预定的阈值A时，该平均值被识别为1或0；

当某个小正方形的数值分别代表1或0时，则数据容器中的小正方形的颜色显示为白色或黑色，

实施例中，图3是待加密内容“XAUT Ghost Imaging”转换的数据容器；然后将图4所示的QR码图像的三个位置检测图案添加到数据容器上，得到图5所示的基于QR码约束条件的数据容器；

步骤2：基于QR码约束条件的数据容器，经过双随机相位编码加密系统加密为强度密文图像。该“双随机相位编码加密系统”是现有技术。

具体过程是，

2.1)加密流程如图1所示，先将待加密的数据容器与随机相位掩膜RPM₁相乘，(random phase mask的缩写是RPM，就是随机相位掩膜的意思，随机相位掩膜RPM₁通过random phase mask随机得到)并经过透镜对其进行一次傅里叶变换，得到如下表达式：

其中，(μ，ν)表示频域的坐标，u(μ，v)表示傅里叶谱，(x，y)表示空间域的坐标，f(x，y)表示步骤1得到的基于QR码约束条件的数据容器，

表示分布在[0，1]上的独立的随机函数，FFT{·}表示傅里叶变换；

2.2)傅里叶谱u(μ，v)通过随机相位掩膜RPM₂的调制后，(随机相位掩膜RPM₂与随机相位掩膜RPM₁分别随机生成，内容不同，生成过程一样)，再次通过透镜完成逆傅里叶变换并在输出端对光强进行捕捉，得到密文分布，表达式为：

c(x，y)＝|FFT^-1{u(μ，ν)exp[i2πφ(μ，ν)]}|² (2)

RPM₂＝exp[i2πφ(μ，ν)]

其中，c(x，y)表示最终得到的密文图像，FFT^-1{·}表示逆傅里叶变换，φ(μ，ν)表示分布在[0，1]上的独立的随机函数，|·|表示取绝对值。

实施例中，加密方法生成的密文见图6，该密文表现为无意义的白噪声分布。

步骤3：密文通过相位迭代过程恢复出解密图像，并将其重新转换成字符，

解密流程如图2所示，解密的过程是多次的迭代过程，首先由随机或给定的预估值开始，经过多次迭代后，当迭代结果与密文的相关系数CC值达到阈值B时结束迭代过程，此时的迭代结果即恢复出的明文信息，具体过程如下：

3.1)给出一个原始图像的预估值f₀(x，y)；

3.2)第k次迭代时，原始图像的迭代值为f_k(x，y)，将其与相位掩膜RPM₁与RPM₂经过与加密过程相同的调制过程(这两个的调制过程原理相同，相互没有时间先后关系)，最终输出平面的分布函数的表达式为：

其中，g_k(x，y)表示输出平面的分布函数；

3.3)将g_k(x，y)的振幅部分替换为密文c(x，y)，修正后的分布函数的表达式为：

其中，c(x，y)表示密文图像，该密文图像默认先加密后解密，所以解密中加密得到的密文为已知条件；

3.4)修正后的分布函数经过加密过程的逆过程，表达式为：

3.5)将QR码的位置检测图案作为支持约束添加到步骤3.4)求得的f_mk(x，y)中，并更新原始图像的迭代值，表达式如下：

f_k+1(x，y)＝f_mk(x，y)

3.6)计算迭代结果|g_k(x，y)|与密文图像c(x，y)之间的相关系数CC，当CC达到预先设置的阈值B时(步骤1设定的阈值A是为了判别解密出来的数据容器中小正方形包含的位数据是1还是0；本步骤的阈值B是为了判别迭代结果和密文图像是否已经足够相似)，迭代停止并输出最终的解密结果f_k(x，y)，相关系数CC的表达式如下：

其中，E{·}表示计算期望；

3.7)重复上述步骤3.2)-步骤3.6)，直到迭代停止；最后，通过阈值A判断恢复解密结果每个小正方形的值，即可解读加密的信息内容。

实施例中，解密结果如图7所示，肉眼不能区分其与明文图像。在图8、图9和图10的显示中，分别表达出了RPM₁和RPM₂稍有错误时的解密结果，明显可见，从图8、图9和图10中不能得到有关明文的任何有效信息。

Claims (5)

1.一种基于数据容器和相位迭代恢复过程的光学图像加密方法，其特征在于，按照以下步骤实施：

步骤1：通过基于QR码约束条件的数据容器，将待加密的字符转换成点阵图像；

步骤2：基于QR码约束条件的数据容器，经过双随机相位编码加密系统加密为强度密文图像；

步骤3：密文通过相位迭代过程恢复出解密图像，并将其重新转换成字符，

解密的过程是多次的迭代过程，首先由随机或给定的预估值开始，经过多次迭代后，当迭代结果与密文的相关系数CC值达到阈值B时结束迭代过程，此时的迭代结果即恢复出的明文信息。

2.根据权利要求1所述的基于数据容器和相位迭代恢复过程的光学图像加密方法，其特征在于：所述的步骤1中，具体过程是，

通过基于QR码约束条件的数据容器将待加密字符的二进制ASCII码转换成数据容器，该数据容器由12×12个小正方形组成，每个小正方形代表一位数据信息，则该容器的容量为144位信息，即包含18个字符；小正方形的尺寸为3×3像素，其包含的数据信息的值由九个像素的平均值决定，设定一个预定的阈值A，当平均值大于或小于预定的阈值A时，该平均值被识别为1或0；

当某个小正方形的数值分别代表1或0时，则数据容器中的小正方形的颜色显示为白色或黑色。

3.根据权利要求1所述的基于数据容器和相位迭代恢复过程的光学图像加密方法，其特征在于：所述的步骤2中，具体过程是，

2.1)加密流程如图1所示，先将待加密的数据容器与随机相位掩膜RPM₁相乘，并经过透镜对其进行一次傅里叶变换，得到如下表达式：

其中，(μ，ν)表示频域的坐标，u(μ，ν)表示傅里叶谱，(x，y)表示空间域的坐标，f(x，y)表示步骤1得到的基于QR码约束条件的数据容器，

表示分布在[0，1]上的独立的随机函数，FFT{·}表示傅里叶变换；

2.2)傅里叶谱u(μ，ν)通过随机相位掩膜RPM₂的调制后，再次通过透镜完成逆傅里叶变换并在输出端对光强进行捕捉，得到密文分布，表达式为：

c(x，y)＝|FFT^-1{u(μ，v)exp[i2πφ(μ，ν)]}|² (2)

RPM₂＝exp[i2πφ(μ，ν)]

其中，c(x，y)表示最终得到的密文图像，FFT^-1{·}表示逆傅里叶变换，φ(μ，ν)表示分布在[0，1]上的独立的随机函数，|·|表示取绝对值。

4.根据权利要求3所述的基于数据容器和相位迭代恢复过程的光学图像加密方法，其特征在于：所述的随机相位掩膜RPM₂与随机相位掩膜RPM₁分别随机生成，内容不同，生成过程一样。

5.根据权利要求1所述的基于数据容器和相位迭代恢复过程的光学图像加密方法，其特征在于：所述的步骤3中，具体过程如下：

3.1)给出一个原始图像的预估值f₀(x，y)；

3.2)第k次迭代时，原始图像的迭代值为f_k(x，y)，将其与相位掩膜RPM₁与RPM₂经过与加密过程相同的调制过程，最终输出平面的分布函数的表达式为：

其中，g_k(x,y)表示输出平面的分布函数；

3.3)将g_k(x，y)的振幅部分替换为密文c(x，y)，修正后的分布函数的表达式为：

其中，c(x,y)表示密文图像，该密文图像默认先加密后解密，所以解密中加密得到的密文为已知条件；

3.4)修正后的分布函数经过加密过程的逆过程，表达式为：

3.5)将QR码的位置检测图案作为支持约束添加到步骤3.4)求得的f_mk(x，y)中，并更新原始图像的迭代值，表达式如下：

f_k+1(x，y)＝f_mk(x，y)

3.6)计算迭代结果|g_k(x，y)|与密文图像c(x，y)之间的相关系数CC，当CC达到预先设置的阈值B时，迭代停止并输出最终的解密结果f_k(x，y)，相关系数CC的表达式如下：

其中，E{·}表示计算期望；

3.7)重复上述步骤3.2)-步骤3.6)，直到迭代停止；最后，通过阈值A判断恢复解密结果每个小正方形的值，即可解读加密的信息内容。

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