CN111382449A - 基于干涉和4f系统的光学图像加密方案 - Google Patents

基于干涉和4f系统的光学图像加密方案 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于干涉和4f系统的光学图像加密方案。加密时利用生成随机相位和秘密图像为振幅构造的波函数，在空域中直接等模量分解，将秘密图像加密到计算生成的两个纯相位掩模板中，解密时只需要通过4f系统干涉叠加即可获取加密图像信息。本发明从原理上解决了干涉加密单掩模板解密出现秘密图像轮廓的问题，该方案的密钥是相位掩模板具有很好的隐秘性，解密系统为4f系统具有解密简单、快捷、稳定性高的优点，且系统完备性好，可集成性高；同时经模拟验证该方案具有很高的鲁棒性，可应用于安全性、系统集成性要求高的光学图像加密领域。

Description

基于干涉和4f系统的光学图像加密方案
技术领域
本发明涉及一种光学图像加密方案，具体涉及一种基于纯相位光学衍射元件，利用光的干涉叠加，通过4f系统实现光学图像加密的技术。
背景技术
光学加密技术近些年得到了学术界的高度重视，因为在二维图像处理中光学加密技术有很大的优越性。光学加密具有并行高速处理的优点，如空间光调制器和透镜等，它们把图像的所有像素在处理的时候是同时进行的，而电子技术只能逐一对像素进行处理；光学加密具有多维度和多参数的特点，很多光学参数例如波长，偏振方向和相位都可以当作为安全密钥，这样加密系统的安全性就可以得到有效的保障。一种高速的光学信息处理方法已经在图像加密中应用多年，Refragier和Javidi提出了一种利用双随机相位掩码将原始图像加密为平稳白噪声的方法，在4f光学信息处理器的输入平面和频率平面上放置有随机相位掩模板从而实现光学图像加密，参见（Opt Lett 1995; 20: 767–9），后来的研究者将该方法进一步扩展到分数傅里叶域中，参见（Opt Lett 2000; 25: 887–9）。然而，这些方法都基于输入将信息转换成平面上的随机相位编码，这种方法需要全息技术来记录相位信息，此外，基于双随机相位密钥的光学加密技术采用的加密系统是线性系统容易受到攻击。
2008年，一种基于双光束干涉的光学图像加密系统被提了出来，通过这种方法可以把原始图像加密到两个纯相位掩模板中，加密过程非常简单而不需要迭代，后来人们通过实验证实了这种方法的可行性，参见（Opt Lett 2008; 33（21）: 2443–5）。这种方法具有实现简单的优势，但存在着固有的安全隐患，一块相位掩模板会泄露加密信息，出现加密图像的轮廓。基于该方案的不足，张岩等人提出了通过交换部分加密后两块随机相位掩模板的相位信息来达到解决单掩模板出现加密图像轮廓的问题，参见（J. Opt. A 11, 125406（2009）），该方法一定程度上解决了信息泄露的风险。近年来，许多研究者基于该问题提出了一系列解决该方案秘密信息泄露的问题，如基于三相位板的方案，希望在掩模板生成过程中去除轮廓，参见（Appl. Opt. 51, 686–691 (2012))，虽然这个方案的实现非常紧凑，但是如果未经授权的用户获得了其中的两个，仍然可以识别剩余的信息。之后有研究者优化了三相位掩模板的方案，在源头彻底解决了秘密图像轮廓问题，参见（Appl. Opt. 52,6849–6857 (2013)）。另外最近提出了基于gyrator变换和矢量分解对该方案的优化，该方案通过改变原有菲涅尔衍射的模型解决了秘密信息轮廓问题。除此之外还有通过对加密图像的编码和改变光源波形来解决秘密图像的轮廓问题。
发明内容
本发明的目的是提出了一种新的解决单掩模板出现秘密图像轮廓问题的方案，基于干涉和4f系统的光学图像加密方案，该方案从源头上解决了单掩模板出现秘密图像轮廓的问题，提高了基于干涉的光学图像加密方案的安全性。
本发明的目的可以通过以下技术措施实现。
1. 利用矢量分解将秘密图案信息
Figure 904306DEST_PATH_IMAGE001
分解到两个相位掩模板中，具体步骤如 下
（1）生成随机相位
Figure 562820DEST_PATH_IMAGE002
，这里
Figure 806851DEST_PATH_IMAGE003
为
Figure 841803DEST_PATH_IMAGE004
的0到1的随机矩 阵；
（2）构造振幅为秘密图案信息的波函数
Figure 736947DEST_PATH_IMAGE005
；
（3）矢量分解将波函数分解成两个纯相位函数
Figure 831942DEST_PATH_IMAGE006
（4）求解得到两个相位掩模板的函数表达式，由
Figure 309408DEST_PATH_IMAGE007
得
Figure 413630DEST_PATH_IMAGE008
Figure 38647DEST_PATH_IMAGE009
由上式可以发现由于
Figure 694756DEST_PATH_IMAGE010
是0到
Figure 772433DEST_PATH_IMAGE011
的随机相位，故
Figure 414767DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 35236DEST_PATH_IMAGE013
也是随机 相位，因此生成的两个相位掩模板是完全安全的，该方案从源头解决了单相位掩模板出现 秘密图案轮廓的问题。
2. 利用4f系统的对称性将
Figure 737612DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 568165DEST_PATH_IMAGE014
干涉叠加后的振幅显示出来，波 函数在均匀介质中的传递函数为
Figure 873245DEST_PATH_IMAGE015
，n为折射率；
（1）掩模板衍射距离
Figure 738432DEST_PATH_IMAGE016
，透过厚度为
Figure 611710DEST_PATH_IMAGE017
分光棱镜，衍射距离
Figure 663980DEST_PATH_IMAGE018
透过傅里叶透镜，当
Figure 523483DEST_PATH_IMAGE019
时，掩模板在透镜的后焦点的波函数是掩模板的傅里叶变换
Figure 243177DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 287356DEST_PATH_IMAGE021
为二维离散傅里叶变换；
（2）透过第二个傅里叶透镜在后焦点的波函数是
Figure 951556DEST_PATH_IMAGE022
。
经过该系统最后得到的波函数的叠加是掩模板M1,M2波函数叠加后旋转180度，接收得到的强度信息即为解密结果。
本发明与现有技术相比具有以下优势：
（1）本发明加密后的相位掩模板随机度更高，单一的掩模板不会泄露秘密图像信息，从源头上解决了干涉加密的缺陷；
（2）本发明使用纯位相板的相位信息进行解密，由于相位掩模板只有相位信息，密钥隐蔽性好，由4f系统完成解密，系统噪声容限高、抗噪声能力强，方案鲁棒性好。
本发明加密过程简单快捷，在只需2个掩模板的情况下完成了加密，硬件系统简单、可集成性好，非常便于实际应用。
附图说明
图1是本发明在基于干涉和4f系统的光学图像加密方案中解密的实施光路结构图。
其中1、2.激光器、3、4.准直扩束系统、5.相位掩模板M1、6. 相位掩模板M2、7 .分光棱镜、8、9.CCD接收单元、10.计算机。
图2是需要加密的秘密图像，像素为256×256‘lena’的灰度图像。
图3a是加密后得到的纯相位掩模板M1的相位分布图，像素为256×256。
图3b是加密后得到的纯相位掩模板M2的相位分布图，像素为256×256。
图4是计算机matlab模拟得到的解密结果，像素为256×256‘lena’的灰度图像。
图5a是计算机matlab模拟单掩模板M1解密得到的解密结果，像素为256×256。
图5b是计算机matlab模拟单掩模板M2解密得到的解密结果，像素为256×256。
图6a是计算机matlab模拟掩模板M1的傅里叶变换得到的，像素为256×256。
图6b是计算机matlab模拟掩模板M2的傅里叶变换得到的，像素为256×256。
图7是计算机matlab模拟掩模板M1、M2分别加了20%的白噪声后解密得到的结果，像素为256×256‘lena’的灰度图像。
具体实施方式
为了更好的解释本发明的实施过程，下面结合附图，对操作过程做详细的说明。
图1是本发明在基于干涉和4f系统的光学图像加密方案中实现解密的光路图。该 光路结构包括1、2.激光器、3、4.准直扩束系统、5.相位掩模板M1、6. 相位掩模板M2、7 .分 光棱镜、8、9.CCD接收单元、10.计算机。其中掩模板距分光棱镜的距离为d1，分光棱镜的厚 度为d2，折射率为n，分光棱镜到傅里叶透镜8的距离为d3，傅里叶透镜的焦距为f ，d1、d2、 d3满足
Figure 739383DEST_PATH_IMAGE024
，傅里叶透镜8、9的距离为2f ，接收单元CCD放在傅里叶透镜9的 后焦点上，即离傅里叶透镜f 处。
首先确定需要加密的图像如图2，然后用计算机生成随机相位构造波函数，最后利用等模矢量分解计算出加密后的密钥掩模板M1、M2，掩模板的相位分布如图3a、3b，即完成了对图二的加密。
解密过程只需要将掩模板M1、M2放在图1的光路中用CCD接收强度信息，计算机将接收的强度图像旋转180度即可完成解密，如图4是用计算机matlab模拟的解密结果。解密过程不限于用CCD接收，对于简单的加密信息可以直接用接收屏接收，即可获取解密信息。
用计算机模拟单个掩模板的解密结果如图5a、5b，单一掩模板的傅里叶变换如图6a、6b，通过单一掩模板的解密结果和傅里叶变换无法获取任何与加密图像相关的信息，证明该方案具有很高的安全性。
图7是掩模板分别加了20%的白噪声后解密得到的结果，由解密结果可以看出该方案具有很好的鲁棒性。
上述方法和实例都是在现有基于干涉的光学图像加密技术基础上，利用本发明所提出的空域加入随机相位，构造波函数等模量分解将秘密图像加密到两个相位掩模板中，并使用本发明中所提出4f光路系统的解密方法对其进行解密的结果。本发明的实施不限于上述的实施方案。只要是通过空域直接等模量分解实现基于干涉的光学图像加密方案，并使用上述的4f系统进行解密的方法、装置和系统，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于干涉和4f系统的光学图像加密方案的技术，其实现的过程包括以下步骤：
第一步，利用矢量分解将秘密图案信息分解到两个相位掩模板中；
第二步，利用4f系统实现解密。
2.如权利要求1中所使用的基于干涉和4f系统的光学图像加密方案的技术，其特征在于，本发明直接在空域生成随机相位进行等模量分解得到相位掩模板实现加密，该方案从根本上解决了单掩模板解密出现秘密图像轮廓的问题。
3.如权利要求1中所使用的基于干涉和4f系统的光学图像加密方案的技术，其特征在于，本发明的解密过程是通过4f系统实现的，具有解密简单、快捷、稳定性高的优点。
4.如权利要求1、2中所使用的基于干涉和4f系统的光学图像加密方案的技术，其特征在于，本发明计算解密结果为掩模板的相位等于生成的随机相位加（减）与秘密信息相关的反三角函数，猜测的随机相位的是可控的，方便实际相位掩模板的加工。
5.如权利要求1、2、3、4中所使用的基于干涉和4f系统的光学图像加密方案的技术，其特征在于，本发明使用的4f系统完备性很高，构成模块独立，无需附加设备，系统实际应用的可集成性很高。
6.如权利要求1、2、3、4、5中所使用的基于干涉和4f系统的光学图像加密方案的技术，其特征在于，本发明的解密是获得两相位掩模板矢量合成后的模，不限于4f系统，还可以由其它的变换系统实现。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113704774A (zh) * 2021-07-07 2021-11-26 哈尔滨理工大学 基于编码孔径相关全息术的光学图像加密方法
CN114759985A (zh) * 2022-04-07 2022-07-15 暨南大学 一种基于超表面的光学加密系统及方法

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