CN110766596B - 一种基于关联成像的光学加密方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光联成像的光学加密方法。包括以下步骤：加密，将计算机生成的多个随机矩阵作为密钥1，将待加密图像作为明文，将密钥与明文相乘，生成密文；以密文作为约束，建立伪装图像及多个相应的调制矩阵，使伪装图像和待加密图像拥有相同的密文；通过图像的水印嵌入算法和加密算法，将随机矩阵嵌入到调制矩阵中，生成新的矩阵作为密钥；传输：将密钥2和密文同时传输；解密：通过图像的水印提取算法和解密算法，将密钥1从密钥2中提取出来，与密文进行关联计算，重构加密图像，重建明文。本发明的光学加密方法为用户提供安全的信息传递，避免重要的信息泄露，并且克服现在技术中计算量较大的缺陷，简化接收者的光学解密过程和难度。
Description
技术领域
本发明涉及光学数据加密传输领域，具体是一种基于光联成像的光学加密方法。
背景技术
随着5G技术的普及，科技迅猛发展，信息的传递尤为重要，信息安全加密是任何公司、机构都非常关注的业务需求。数据信息在网络传递的过程中可能会遭到各种拦截攻击，从而导致信息的泄露，影响企业组织等正常运营管理。因此光学传输方面的加密已经成为安保的关键，技术研发部门和国家的敏感信息转移每时每刻都在发生，且不容许一丝一毫的错误，这也让光学加密传输技术变得更加重要。
由热光的二阶相干性可知关联成像携带信息的光场不受外界因素干扰，成像清晰度高。关联加密的方案主要是将明文和随机调制的参考光信息相关联，使明文信息穿插在调制信号中传输，密钥水印嵌入，然后编码到傅里叶普。由此产生的信号在网络传输过程中会被授权的接受者或潜在的攻击者捕获，通过逆傅里叶变换，将会接收到与真正图像几乎相同的伪装图像。然而，只有拥有真正密钥的授权接受者才能从接收到的图像中提取有用的数据，然后重建明文。
现有技术中，矩阵嵌入是提高隐写算法的嵌入效率最为行之有效的编码方式，嵌入效率越高，算法就越安全，嵌入在公开数字图像中的秘密信息就越难泄露。密钥的随机性和关联成像的非定域性也大大增加了攻击者的破译难度。关联成像加密是通过密钥和密文关联计算获取加密的信息，获取明文的清晰度与计算次数成正比，因此该方案受到计算次数的影响较大，而当计算量较多时，接收者的工作量巨大，不利于接收者的光学解密。
发明内容
针对以上不足，本发明提供了一种基于关联成像的光学加密方法，为用户提供安全的信息传递，避免重要的信息泄露，并且克服现在技术中计算量较大的缺陷，简化接收者的光学解密过程和难度。
本发明的技术方案为：
一种基于关联成像的光学加密方法，包括以下步骤：
S1：加密过程，包括以下步骤：
S11：在关联成像过程中，将计算机生成的多个随机矩阵I1作为密钥1，将待加密图像A(u，v)作为明文G(u，v)，将密钥1与明文G(u，v)相乘，生成密文y；
S12：以所述密文y作为约束，建立伪装图像B(u，v)及多个相应的调制矩阵I，使伪装图像B(u，v)和待加密图像A(u，v)拥有相同的密文y；
S13：通过图像的水印嵌入算法和加密算法，将所述随机矩阵I1嵌入到调制矩阵I中，生成新的矩阵I2作为密钥2；
S2：传输过程：将所述密钥2和密文y同时传输；
S3：解密过程：通过图像的水印提取算法和解密算法，将所述密钥1从密钥2中提取出来，与所述密文y进行关联计算，重构加密图像Acs，并重建明文G(u，v)。
所述步骤S11具体为：利用随机光场Ir(u，v)照射待加密图像A(u，v)，投射或反射的能量值被桶探测器接收，生成密文y，y＝∫dudvIr(u，v)A(u，v)。
所述步骤S12具体包括以下步骤：
S121：由于伪装图像B(u，v)和待加密图像A(u，v)拥有相同的密文y，则y＝∫B(u，v)I3(u，v)dudv，其中I3(u，v)为照射伪装图像B(u，v)的调制光场；
S122：经过傅里叶变换，得到FT[B(u，v)I3(u，v)](ξ，η)|ξ＝0，η＝0＝∫B(u，v)I3(u，v)dudv，经过等式转换，得到FT[B(u，v)I3(u，v)](ξ，η)|ξ＝0，η＝0＝y；
S123：经过傅里叶逆变换，得到调制矩阵
式中BIupdate为傅里叶逆变换的结果，eps为极小正值。
所述步骤S13具体包括以下步骤：
S131：所述随机矩阵I1的数据单位为Mbits，调制矩阵I的数据单位为Nbits，找到n，使其满足
其中αn＝(n-k)/n，k为调制矩阵I与随机矩阵I1的数据信息差值；
S132：读取调制矩阵I的nbits部分数据信息，随机矩阵I1的(n-k)bits部分数据信息；
S133：生成奇偶校验矩阵H＝[In-k,E,ln-k]，其中In-k是(n-k)×(n-k)的单位矩阵，E为(n-k)×(k-1)的随机矩阵，ln-k为全1列向量，记F＝[In-k,E]；
S134：计算HI和I1的异或值：
S135：求解线性方程组：
S136：找到带有最小汉明重量的解向量作为对调制矩阵I的修改量：
其中G为生成矩阵，且G·HT＝0；
S137：调制矩阵I经过修改生成的新的矩阵I2，
所述步骤S3具体包括以下步骤：
S31：通过嵌入过程的逆过程提取密钥1，提取算法为：
S32：将密钥1与密文y进行压缩感知计算，重构加密图像Acs，
subject to：
其中N是测量次数，N小于关联成像加密所需的关联计算次数；
S33：将密钥1与密文y进行关联计算，重建明文G(u,v)，
本发明的光学加密方法，计算机生成多个的随机矩阵，将待加密图像作为明文，将随机矩阵与明文的矩阵相乘，获取密文。利用密文作为约束，生成伪装图像的调制矩阵，使待加密图像和伪装图像拥有相同的密文。将随机矩阵嵌入到调制矩阵中，在嵌入过程中，通过图像的水印嵌入算法和加密算法，生成新的矩阵作为密钥。将密文与密钥同时传输，发送者和接收者共享所述密钥。在传输过程中，水印图像可能会被噪声干扰或人为篡改，如无提取随机矩阵，只能通过密钥和密文获得伪装图像，只有通过水印图像的提取算法和解密算法，才能提取真正的随机矩阵，重构加密图像，重建明文信息。
本发明的光学加密方法，通过计算关联成像技术与数字水印技术的结合，保证了密文的安全性，当攻击者拦截到部分密钥和密文，但由于不能获知关联计算次数以及密钥、密文之间的对应关系，并不能做到明文的重建。通过关联成像、水印嵌入隐藏真正的密钥，增强密文的破译难度，同时密钥的随机性也使得潜在的攻击者难以捕获信号，进一步保证了信息传输的安全。
附图说明
图1为本发明的基于光联成像的光学加密方法流程图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
参考图1，本发明的基于关联成像的光学加密方法，包括以下步骤：
S1：加密过程，包括以下子步骤：
S11：在关联成像过程中，将计算机生成的多个随机矩阵I1作为密钥1，将待加密图像A(u，v)作为明文G(u，v)，A(u，v)为像素大小为256×256的图片，将密钥1与明文G(u，v)相乘，生成密文y。具体为：取调制生成的随机光场Ir(u，v)照射待加密图像A(u，v)，投射或反射的能量值被桶探测器接收，生成密文y，y＝∫dudvIr(u，v)A(u，v)。
S12：以所述密文y作为约束，建立伪装图像B(u，v)及多个相应的调制矩阵I，使伪装图像B(u，v)和待加密图像A(u，v)拥有相同的密文y；
具体包括以下步骤：
S121：由于伪装图像B(u，v)和待加密图像A(u，v)拥有相同的密文y，则利用调制光场I3(u，v)照射伪装图像B(u，v)，也能获得密文y，即y＝∫B(u，v)I3(u，v)dudv；
S122：经过傅里叶变换，得到FT[B(u，v)I3(u，v)](ξ，η)|ξ＝0，η＝0＝∫B(u，v)I3(u，v)dudv，经过等式转换，得到FT[B(u，v)I3(u，v)](ξ，η)|ξ＝0，η＝0＝y；
S123：经过傅里叶逆变换，得到调制矩阵
式中BIupdate为傅里叶逆变换的结果，eps为极小正值，避免分母为零。
S13：通过图像的水印嵌入算法和加密算法，将所述随机矩阵I1嵌入到调制矩阵I中，生成新的矩阵I2作为密钥2；
嵌入过程具体包括以下步骤：
S131：所述随机矩阵I1的数据单位为Mbits，调制矩阵I的数据单位为Nbits，找到n，使其满足
其中αn＝(n-k)/n，k为调制矩阵I与随机矩阵I1的数据信息差值；
S132：读取调制矩阵I的nbits部分数据信息，随机矩阵I1的(n-k)bits部分数据信息；
S133：生成奇偶校验矩阵H＝[In-k,E,ln-k]，其中In-k是(n-k)×(n-k)的单位矩阵，E为(n-k)×(k-1)的随机矩阵，ln-k为全1列向量，记F＝[In-k,E]；
S134：计算HI和I1的异或值：
S135：求解线性方程组：
S136：找到带有最小汉明重量的解向量作为对调制矩阵I的修改量：
其中G为生成矩阵，且G·HT＝0；
S137：调制矩阵I经过修改生成的新的矩阵I2，
S2：传输过程：将所述密钥2和密文y同时传输，发送者和接收者共享所述密钥。
S3：解密过程：通过图像的水印提取算法和解密算法，将所述密钥1从密钥2中提取出来，与所述密文y进行关联计算，重构加密图像Acs，并重建明文G(u,v)。在传输过程中，水印图像可能会被噪声干扰或人为篡改，如无提取随机矩阵，只能通过密钥和密文获得伪装图像，只有通过水印图像的提取算法和解密算法，才能提取真正的随机矩阵，重构加密图像，重建明文信息。
解密过程具体包括以下步骤：
S31：通过嵌入过程的逆过程提取密钥1，提取算法为：
将含密载体数据读取完毕，即可将秘密信息全部提出；
S32：将密钥1与密文y进行压缩感知计算，重构加密图像Acs，
subject to：
其中N是测量次数，N小于关联成像加密所需的关联计算次数；
S33：将密钥1与密文y进行关联计算，重建明文G(u,v)，
本发明的光学加密方法，通过计算关联成像技术与数字水印技术的结合，保证了密文的安全性，当攻击者拦截到部分密钥和密文，但由于不能获知关联计算次数以及密钥、密文之间的对应关系，并不能做到明文的重建。通过关联成像、水印嵌入隐藏真正的密钥，增强密文的破译难度，同时密钥的随机性也使得潜在的攻击者难以捕获信号，进一步保证了信息传输的安全。
以上公开的仅为本发明的实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于关联成像的光学加密方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：加密过程，包括以下步骤：
S11：在关联成像过程中，将计算机生成的多个随机矩阵I1作为密钥1，将待加密图像A(u,v)作为明文G(u,v)，将密钥1与明文G(u,v)相乘，生成密文y；
S12：以所述密文y作为约束，建立伪装图像B(u,v)及多个相应的调制矩阵I，使伪装图像B(u,v)和待加密图像A(u,v)拥有相同的密文y；
S13：通过图像的水印嵌入算法和加密算法，将所述随机矩阵I1嵌入到调制矩阵I中，生成新的矩阵I2作为密钥2；
S2：传输过程：将所述密钥2和密文y同时传输；
S3：解密过程：通过图像的水印提取算法和解密算法，将所述密钥1从密钥2中提取出来，与所述密文y进行关联计算，重构加密图像Acs，并重建明文G(u,v)。
2.根据权利要求1所述的基于关联成像的光学加密方法，其特征在于，所述步骤S11具体为：利用随机光场Ir(u,v)照射待加密图像A(u,v)，投射或反射的能量值被桶探测器接收，生成密文y，y＝∫dudvIr(u,v)A(u,v)。
3.根据权利要求1所述的基于关联成像的光学加密方法，其特征在于，所述步骤S12具体包括以下步骤：
S121：由于伪装图像B(u,v)和待加密图像A(u,v)拥有相同的密文y，则y＝∫B(u，v)I3(u，v)dudv，其中I3(u,v)为照射伪装图像B(u,v)的调制光场；
S122：经过傅里叶变换，得到FT[B(u,v)I3(u,v)](ξ,η)|ξ＝0,η＝0＝∫B(u,v)I3(u,v)dudv，经过等式转换，得到FT[B(u,v)I3(u,v)](ξ,η)|ξ＝0,η＝0＝y；
S123：经过傅里叶逆变换，得到调制矩阵
式中BIupdate为傅里叶逆变换的结果，eps为极小正值。
4.根据权利要求2所述的基于关联成像的光学加密方法，其特征在于，所述步骤S13具体包括以下步骤：
S131：所述随机矩阵I1的数据单位为Mbits，调制矩阵I的数据单位为Nbits，找到n，使其满足
其中αn＝(n-k)/n，k为调制矩阵与随机矩阵的数据信息差值；
S132：读取调制矩阵I的nbits部分数据信息，随机矩阵I1的(n-k)bits部分数据信息；
S133：生成奇偶校验矩阵H＝[In-k,E,ln-k]，其中In-k是(n-k)×(n-k)的单位矩阵，E为(n-k)×(k-1)的随机矩阵，ln-k为全1列向量，记F＝[In-k,E]；
S134：计算HI和I1的异或值：
S135：求解线性方程组：
S136：找到带有最小汉明重量的解向量作为对调制矩阵I的修改量：
其中G为生成矩阵，且G·HT＝0；
S137：调制矩阵I经过修改生成的新的矩阵I2，
5.根据权利要求4所述的基于关联成像的光学加密方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：
S31：通过嵌入过程的逆过程提取密钥1，提取算法为：
S32：将密钥1与密文y进行压缩感知计算，重构加密图像Acs，Acs＝A,min||A(u,v)||L1subject to：
其中N是测量次数，N小于关联成像加密所需的关联计算次数；
S33：将密钥1与密文y进行关联计算，重建明文G(u,v，
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