CN111177742B - 基于光场原理和混沌系统的多图像加密方法和解密方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于光场原理和混沌系统的多图像加密方法和解密方法，本发明基于光场原理和混沌系统，该方法利用混沌系统随机生成光场成像系统的个数与系统参数，并在计算机中构造出相应的多个光场成像系统实现加密。采取计算成像的方式可以避免纯光学方式中硬件限制的问题。混沌系统的加入，使得本方法与其他已提出的基于光场原理的图像加密方法相比，密钥空间进一步扩大，密钥敏感性进一步提高，且加密方法的复杂度提高有限，加密、解密速度并无明显降低。同时避免了普通光学加密中常见的系统复杂、硬件限制、解密图像失真等问题。本方法能够实现多幅图像的快速高效加密，在需要大量图像进行安全传输的领域具有广泛的应用前景。

Description

基于光场原理和混沌系统的多图像加密方法和解密方法

技术领域

本发明涉及图像信息加密技术，尤其涉及一种基于光场原理和混沌系统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。

上海理工大学于2016年申请的发明专利“基于光场成像与数字重聚焦技术的多图像加密和解密方法”，提出了一种可用于多幅图像的加密解密算法。但该方法是基于对光场信息的数字重聚焦技术，其算法原理与本申请完全不同。2019年申请的发明专利“基于光场子孔径图像的多图像加密方法”，提出了一种基于光场图像子孔径成像原理的多幅图像加密方法，具有加密效率高，加密过程的简单的优点。但与文本专利将要提出的方法相比较，采用的加密算法不同。该方法中虽然提到可与混沌加密的方法相结合，但使用中两种方法仍旧是相对独立的，用光场的方法实现一次加密后再采用混沌方法进行二次加密。而在本发明中，混沌系统用于随机产生光场成像系统的个数与系统参数，并不存在二次加密过程，本发明提出的方法能够提供更大的密钥空间，且密钥敏感度也更高。

发明内容

本发明的目的在于提出一种能够实现多幅图像快速高效加密，有效扩大秘钥空间并且提高了密钥敏感度的，基于光场原理和混沌系统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原理和混沌系统的多图像加密方法，包括以下步骤：

步骤1：将多幅待加密图像按任意顺序组合拼接为一幅图像；

步骤2：由混沌系统生成加密用光场成像系统的个数及参数；

步骤3：依照生成的个数及参数，在计算机中构建n个基于微透镜阵列的光场成像系统；

步骤4：将拼接好的待加密图像依次置于构造出的n个光场成像系统中，得到光场图像，提取其相应的子孔径图像并进行拼接，拼接图像即为加密图像。

优选的，在步骤1中，将多幅待加密图像按任意顺序组合拼接为一幅图像。其中待加密图像的数量为A×A，单幅待加密图像的像素数为B×B，则拼接完成的组合图像总像素数为A×A×B×B。

优选的，在步骤2中，随机选择初始值参数变量μ₁∈(3.5699456,4)，迭代n₁(n₁为任意正整数)次后得到混沌序列/>将此序列的值归一化到(0,P)(P为任意正整数)之间并向上取整，得到序列/>取/>并取n值作为光场系统的个数；求出A×B的所有因数并按从小到大的顺序编号为a₁,a₂,a₃,...a_s，因a₁＝1，故舍去，且为防止光场系统间的重复，仅选用/>

随机选择初始值参数变量μ₂∈(3.5699456,4)，迭代/>次后得到混沌序列/>将此序列的值归一化到/>之间并向上取整，得到序列/>将A×B的因数/>按照编号赋值给对应的得到序列/>取该序列的值作为每个光场系统微透镜每行所覆盖的像素数M₁,M₂,M₃,...M_n的值。

优选的，在步骤3中，设第i(i＝1～n)个主透镜焦距为f_i’_main，微透镜个数为N_i×N_i，每个微透镜所覆盖的像素数为M_i×M_i，为了使探测器像素的最大利用率，需要使每个微透镜采集到的光场信息无冗余，所以在选择的密钥时需要使得A×B×A×B＝M_i×N_i×M_i×N_i。

优选的，在步骤4中，从第i个光场系统得到的光场图像中提取宏像素图像，对所有宏像素图像中的所有像素位置都进行子孔径图像提取，得到M_i×M_i个子孔径图像，每个子孔径图像包含N_i×N_i个像素；将所有子孔径图像按所对应的像素在宏像素图像中的位置顺序进行拼接，得到经过该光场成像系统的子孔径拼接图像；将得到的子孔径拼接图像作为初始图像，再经过下一个光场成像系统，做同样操作，直至依次经过n个光场成像系统后结束，最后得到的子孔径拼接图像即为加密图像。

本发明还提出一种基于光场原理和混沌系统的多图像解密方法，包括以下步骤：

步骤1：将解密密钥x₀,μ，x₀',μ'分别输入Logistic映射，得到加密光场系统的数量n以及每个加密光场成像系统中每个微透镜所覆盖的像素数M₁,M₂,M₃,...M_n；

步骤2：根据n、M₁,M₂,M₃,...M_n构造多个光场成像系统；

步骤3：将加密图像依次置于构造的光场成像系统中，计算得到原始加密图像的拼接图像；

步骤4：将拼接图像按照图像数量进行分割，得到解密的原始图像。

优选的，在步骤1中，将解密密钥x₀,μ输入Logistic映射，得到加密光场成像系统的个数n；将解密密钥x₀',μ'输入Logistic映射中，得到每个加密光场成像系统的每个微透镜所覆盖的像素数M₁,M₂,M₃,...M_n。

优选的，在步骤3中，在第i个光场成像系统中，根据微透镜参数将加密图像分割成M_i×M_i个子孔径图像，每个子孔径图像包含N_i×N_i个像素，将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M_i×M_i个子孔径图像做同样的操作，得到N_i×N_i个宏像素图像；将这些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，即得到该光场成像系统下光场图像；

将该光场图像作为初始图像，再经过下一个光场成像系统，做同样操作，直至按逆序依次经过n个光场成像系统后结束，最后得到的光场图像即为原始加密图像的拼接图像，

与现有技术相比，本发明的优势之处在于：本发明基于光场原理和混沌系统，该方法利用混沌系统随机生成光场成像系统的个数与系统参数，并在计算机中构造出相应的多个光场成像系统实现加密。采取计算成像的方式可以避免纯光学方式中硬件限制的问题。混沌系统的加入，使得本方法与其他已提出的基于光场原理的图像加密方法相比，密钥空间进一步扩大，密钥敏感性进一步提高，且加密方法的复杂度提高有限，加密、解密速度并无明显降低。同时避免了普通光学加密中常见的系统复杂、硬件限制、解密图像失真等问题。本方法能够实现多幅图像的快速高效加密，在需要大量图像进行安全传输的领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明的加密流程图；

图2为光场成像系统示意图；

图3为本发明的多幅待加密图像；

图4为本发明的待加密图像组合图像；

图5为本发明获得的加密图像；

图6为本发明获得的解密图像；

图7为本发明在解密过程中当密钥x₁ ⁰发生微小错误时的解密图像；

图8为本发明在解密过程中当密钥μ'发生微小错误时的解密图像。

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。

如图1所示，加密过程过程如下：

步骤1：将多幅待加密图像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＝150×150)，拼接好的组合图像总像素数为：A×A×B×B＝450×450。

第2步：由混沌系统生成加密用光场成像系统的个数及参数。

随机选择初始值参数变量μ₁∈(3.5699456,4)，迭代n₁(n₁为任意正整数)次后得到混沌序列/>将此序列的值归一化到(0,P)(P为任意正整数)之间并向上取整，得到序列/>取/>并取n值作为光场系统的个数。

求出A×B的所有因数并按从小到大的顺序编号为a₁,a₂,a₃,...a_s，因a₁＝1，故舍去，且为防止光场系统间的重复，仅选用

随机选择初始值参数变量μ₂∈(3.5699456,4)，迭代/>次后得到混沌序列/>将此序列的值归一化到/>之间并向上取整，得到序列/>将A×B的因数/>按照编号赋值给对应的得到序列/>取该序列的值依次作为每个光场系统中单个微透镜所覆盖的像素数M₁,M₂,M₃,...M_n的值。

第3步：在计算机中构建n个基于微透镜阵列的光场成像系统。每个光场系统中单个微透镜每所覆盖的像素数依次为M₁,M₂,M₃,...M_n。

每个构造的光场成像系统如图2所示，包括一个焦距为f_’main的主镜头1、一个包含N×N个微透镜的微透镜阵列2，和放置在其后的离散型图像接收器3(如CCD或CMOS器件)。其中每个微透镜所覆盖的探测器上的像素数为M×M，该M×M个像素够成一个宏像素，探测器探测到的总的像素数目为M×N×M×N。

设第i(i＝1～n)个光场成像系统中微透镜的个数为N_i×N_i，每个微透镜所覆盖的像素数为M_i×M_i。通过令A×B×A×B＝M_i×N_i×M_i×N_i，计算得出N_i的值。

第4步：将拼接好的待加密图像依次置于构造出的n个光场成像系统中，得到光场图像，提取其相应的子孔径图像并进行拼接。

从第i个光场系统得到的光场图像中提取宏像素图像，对所有宏像素图像中的所有像素位置都进行子孔径图像提取，得到M_i×M_i个子孔径图像，每个子孔径图像包含N_i×N_i个像素。将所有子孔径图像按所对应的像素在宏像素图像中的位置顺序进行拼接，得到经过该光场成像系统的子孔径拼接图像。将得到的子孔径拼接图像作为初始图像，再经过下一个光场成像系统，做同样操作，直至依次经过n个光场成像系统后结束，最后得到的子孔径拼接图像即为加密图像。

当主镜头放大率为1时，经过单次光场加密过程像素位置的变化按照如下公式进行：

其中，S_(x,y)为输入光场系统前图像在坐标(x,y)的像素值，s'(x',y')为经过单次光场加密后图像在坐标(x',y')的像素值。(x,y)为输入光场系统前图像坐标系中坐标值，(x',y')为经过单次光场加密后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。当经过多次光场加密时，将不同光场系统的参数依次带入公式中进行计算即可。

解密方法为加密方法的逆过程，解密的具体实施步骤如下：

第1步：将解密密钥x₀,μ输入Logistic映射，得到加密光场系统的数量n。将解密密钥x₀',μ'输入Logistic映射，得到每个加密光场成像系统中单个微透镜所覆盖的像素数M₁,M₂,M₃,...M_n。

第2步：根据加密图像的总的像素数A×B×A×B，按照A×B×A×B＝M×N×M×N计算出每一个系统中的M所对应的N值；根据n、N₁,N₂,N₃,…N_n、M₁,M₂,M₃,...M_n构造多个光场成像系统。

第3步：将加密图像依次置于构造的光场成像系统中，计算得到光场图像。

在第i个光场成像系统中，根据微透镜参数将加密图像分割成M_i×M_i个子孔径图像，每个子孔径图像包含N_i×N_i个像素，将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M_i×M_i个子孔径图像做同样的操作，得到N_i×N_i个宏像素图像。将这些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，即得到该光场成像系统下光场图像。

将该光场图像作为初始图像，再经过下一个光场成像系统，做同样操作，直至按逆序依次经过n个光场成像系统后结束，最后得到的光场图像即为原始加密图像的拼接图像。

第4步：将得到的拼接图像按照图像数量进行分割，得到解密的原始图像为表现本发明的加密效果，此处不失一般性的，取A×A×B×B＝3×3×150×150，μ₁＝3.45，n₁＝5，P＝10，/>μ₂＝3.45，以图3中图片为多幅待加密图像，拼接后得到如图4所示图片，经过本发明所述加密方法，得到的加密图像如图5所示，用本发明的解密方法对加密图像进行解密，获得解密图像如图6所示。

本发明的加密方法的密钥敏感度非常高，当其中一个密钥参数输入错误时将不能获得正确的解密图像，如图7、8所示。图7中为本发明在解密过程中当密钥发生微小错误，将/>的值由0.78改为0.779时的解密图像；图8中为本发明在解密过程中当密钥μ'发生微小错误，将μ'的值由3.45改为3.451时的解密图像。可以看出，当密钥参数发生微小改变时，从解密图像中完全无法识别出原始图像，表明本算法具有很高的密钥灵敏度。

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 (6)

1.一种基于光场原理和混沌系统的多图像加密方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将多幅待加密图像按任意顺序组合拼接为一幅图像；

步骤2：由混沌系统生成加密用光场成像系统的个数及参数；

步骤3：依照生成的个数及参数，在计算机中构建n个基于微透镜阵列的光场成像系统；

步骤4：将拼接好的待加密图像依次置于构造出的n个光场成像系统中，得到光场图像，提取其相应的子孔径图像并进行拼接，拼接图像即为加密图像；

在步骤2中，随机选择初始值参数变量μ₁∈(3.5699456,4)，迭代n₁(n₁为任意正整数)次后得到混沌序列/>将此序列的值归一化到(0,P)(P为任意正整数)之间并向上取整，得到序列/>取/>并取n值作为光场系统的个数；求出A×B的所有因数并按从小到大的顺序编号为a₁,a₂,a₃,...a_s，因a₁＝1，故舍去，且为防止光场系统间的重复，仅选用/>

随机选择初始值参数变量μ₂∈(3.5699456,4)，迭代/>次后得到混沌序列/>将此序列的值归一化到/>之间并向上取整，得到序列/>将A×B的因数/>按照编号赋值给对应的得到序列/>取该序列的值作为每个光场系统微透镜每行所覆盖的像素数M₁,M₂,M₃,...M_n的值；

在步骤1中，将多幅待加密图像按任意顺序组合拼接为一幅图像；其中待加密图像的数量为A×A，单幅待加密图像的像素数为B×B，则拼接完成的组合图像总像素数为A×A×B×B。

2.根据权利要求1所述的基于光场原理和混沌系统的多图像加密方法，其特征在于，在步骤3中，设第i(i＝1～n)个主透镜焦距为f_i’_main，微透镜个数为N_i×N_i，每个微透镜所覆盖的像素数为M_i×M_i，为了使探测器像素的最大利用率，需要使每个微透镜采集到的光场信息无冗余，所以在选择的密钥时需要使得A×B×A×B＝M_i×N_i×M_i×N_i。

3.根据权利要求1所述的基于光场原理和混沌系统的多图像加密方法，其特征在于，在步骤4中，从第i个光场系统得到的光场图像中提取宏像素图像，对所有宏像素图像中的所有像素位置都进行子孔径图像提取，得到M_i×M_i个子孔径图像，每个子孔径图像包含N_i×N_i个像素；将所有子孔径图像按所对应的像素在宏像素图像中的位置顺序进行拼接，得到经过该光场成像系统的子孔径拼接图像；将得到的子孔径拼接图像作为初始图像，再经过下一个光场成像系统，做同样操作，直至依次经过n个光场成像系统后结束，最后得到的子孔径拼接图像即为加密图像。

4.一种基于光场原理和混沌系统的多图像解密方法，解密使用如权利要求1-3中任意一项所述的基于光场原理和混沌系统的多图像加密方法加密的文件，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将解密密钥x₀,μ,x₀',μ'分别输入Logistic映射，得到加密光场系统的数量n以及每个加密光场成像系统中每个微透镜所覆盖的像素数M₁,M₂,M₃,...M_n；

步骤2：根据n、M₁,M₂,M₃,...M_n构造多个光场成像系统；

步骤3：将加密图像依次置于构造的光场成像系统中，计算得到原始加密图像的拼接图像；

步骤4：将拼接图像按照图像数量进行分割，得到解密的原始图像。

5.根据权利要求4所述的基于光场原理和混沌系统的多图像解密方法，其特征在于，在步骤1中，将解密密钥x₀,μ输入Logistic映射，得到加密光场成像系统的数量n；将解密密钥x₀',μ'输入Logistic映射，得到每个加密光场成像系统中每个微透镜所覆盖的像素数M₁,M₂,M₃,...M_n。

6.根据权利要求4所述的基于光场原理和混沌系统的多图像解密方法，其特征在于，在步骤3中，在第i个光场成像系统中，根据微透镜参数将加密图像分割成M_i×M_i个子孔径图像，每个子孔径图像包含N_i×N_i个像素，将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M_i×M_i个子孔径图像做同样的操作，得到N_i×N_i个宏像素图像；将这些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，即得到该光场成像系统下光场图像；

将该光场图像作为初始图像，再经过下一个光场成像系统，做同样操作，直至按逆序依次经过n个光场成像系统后结束，最后得到的光场图像即为原始加密图像的拼接图像。