CN111897196B - 一种数字全息信息的隐藏、提取方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种数字全息信息的隐藏、提取方法及系统。所述隐藏方法包括获取待隐藏的信息；利用视觉密码术对所述待隐藏的信息进行像素扩展，得到多个视觉密钥；利用数字全息成像系统将每个所述视觉密钥均制成数字全息图；将所述数字全息图按照不同的衰减比例在不同的宿主图像中进行隐藏，得到隐藏后的信息。本发明所提供一种数字全息信息的隐藏、提取方法及系统，提高信息传输过程中的安全性和鲁棒性。

Description

一种数字全息信息的隐藏、提取方法及系统
技术领域
本发明涉及信息加密隐藏领域，特别是涉及一种数字全息信息的隐藏、提取方法及系统。
背景技术
进入21世纪以来，随着计算机技术与通信技术的迅猛发展，互联网与信息技术为人们的日常生活提供了巨大的便利。信息交互、互联网购物、电子支付等生活方式已经进入千家万户，成为人们生活中不可或缺的重要部分。除此之外，身份信息认证、金融交易等活动也逐渐通过信息技术的手段来实现。甚至于在现代战争中，电子对抗也成为新的交战点，如何获取、破解敌方情报，保护己方情报安全同样左右着战局。
但是在信息技术促进发展、带来便利的同时，传输过程却存在被篡改、窃取的风险，信息泄露的隐患对国家地区发展、社会经济稳定与个人隐私安全造成了巨大的威胁。因此信息安全技术成为国内外学者的研究热点，受到了各国的普遍重视。而信息的加密隐藏是信息安全技术的核心之一，如何设计出兼具可行性与安全性的加密隐藏系统对于信息安全有着重大意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种数字全息信息的隐藏、提取方法及系统，提高信息传输过程中的安全性和鲁棒性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种数字全息信息的隐藏方法，包括：
获取待隐藏的信息；所述待隐藏的信息为二值图像；
利用视觉密码术对所述待隐藏的信息进行像素扩展，得到多个视觉密钥；所述像素扩展包括垂直扩展、水平扩展及对角线扩展；
利用数字全息成像系统将每个所述视觉密钥均制成数字全息图；所述数字全息成像系统包括两个激光器、第一分束镜、衰减器、空间滤波器、准直透镜、第二分束镜、电压陶瓷、第三分束镜、反射式空间光调制器、第四分束镜、相机以及连接电压陶瓷、反射式空间光调制器和相机的计算机；两个所述激光器发出的激光光束依次通过所述第一分束镜、衰减器、空间滤波器和准直透镜到达所述第二分束镜；所述第二分束镜将所述激光光分为物光和参考光；所述物光透过视觉密钥后，经过所述第三分束器照射到所述反射式空间光调制器上，反射回来的携带信息的光束经过所述第三分束器重新进入光路；所述参考光经过所述压电陶瓷的控制具有一定的偏转角，与所述物光共同经过所述第四分束器后，在所述相机处干涉并被所述相机记录为数字全息图，传输到所述计算机；
将所述数字全息图按照不同的衰减比例在不同的宿主图像中进行隐藏，得到隐藏后的信息。
可选的，所述利用数字全息成像系统将每个所述视觉密钥均制成数字全息图，之前还包括：
搭建所述数字全息成像系统；
将每个所述视觉密钥依次放置于所述数字全息成像系统的全息光路中，并将随机相位掩膜加载到所述反射式空间光调制器上，对每个所述视觉密钥分别添加随机相位掩膜。
可选的，所述将所述数字全息图按照不同的衰减比例在不同的宿主图像中进行隐藏，得到隐藏后的信息，具体包括：
利用公式Sn＝Hn·αn+In得到隐藏后的信息；其中，Sn为第n个隐藏后的信息，Hn为第n个数字全息图，αn为第n个衰减比例，In为第n个宿主图像。
一种数字全息信息的提取方法，包括：
利用隐藏后的信息对应的衰减比例确定数字全息图；
根据所述数字全息图，利用数字全息成像系统中对应的参考光模拟照明并数字衍射进行恢复重建，得到视觉密钥；
将所有的所述视觉密钥进行空间非相干叠加，得到待隐藏的信息。
一种数字全息信息的隐藏系统，包括：
待隐藏的信息获取模块，用于获取待隐藏的信息；所述待隐藏的信息为二值图像；
视觉密钥确定模块，用于利用视觉密码术对所述待隐藏的信息进行像素扩展，得到多个视觉密钥；所述像素扩展包括垂直扩展、水平扩展及对角线扩展；
数字全息图确定模块，用于利用数字全息成像系统将每个所述视觉密钥均制成数字全息图；所述数字全息成像系统包括两个激光器、第一分束镜、衰减器、空间滤波器、准直透镜、第二分束镜、电压陶瓷、第三分束镜、反射式空间光调制器、第四分束镜、相机以及连接电压陶瓷、反射式空间光调制器和相机的计算机；两个所述激光器发出的激光光束依次通过所述第一分束镜、衰减器、空间滤波器和准直透镜到达所述第二分束镜；所述第二分束镜将所述激光光分为物光和参考光；所述物光透过视觉密钥后，经过所述第三分束器照射到所述反射式空间光调制器上，反射回来的携带信息的光束经过所述第三分束器重新进入光路；所述参考光经过所述压电陶瓷的控制具有一定的偏转角，与所述物光共同经过所述第四分束器后，在所述相机处干涉并被所述相机记录为数字全息图，传输到所述计算机；
隐藏后的信息确定模块，用于将所述数字全息图按照不同的衰减比例在不同的宿主图像中进行隐藏，得到隐藏后的信息。
可选的，还包括：
数字全息成像系统搭建模块，用于搭建所述数字全息成像系统；
随机相位掩膜添加模块，用于将每个所述视觉密钥依次放置于所述数字全息成像系统的全息光路中，并将随机相位掩膜加载到所述反射式空间光调制器上，对每个所述视觉密钥分别添加随机相位掩膜。
可选的，所述隐藏后的信息确定模块具体包括：
隐藏后的信息确定单元，用于利用公式Sn＝Hn·αn+In得到隐藏后的信息；其中，Sn为第n个隐藏后的信息，Hn为第n个数字全息图，αn为第n个衰减比例，In为第n个宿主图像。
一种数字全息信息的提取系统，包括：
数字全息图提取模块，用于利用隐藏后的信息对应的衰减比例确定数字全息图；
视觉密钥恢复重建模块，用于根据所述数字全息图，利用数字全息成像系统中对应的参考光模拟照明并数字衍射进行恢复重建，得到视觉密钥；
待隐藏的信息确定模块，用于将所有的所述视觉密钥进行空间非相干叠加，得到待隐藏的信息。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明所提供的一种数字全息信息的隐藏、提取方法及系统，首先将待隐藏的信息利用视觉密码术进行数字预处理，生成多个类似随机分布的视觉密钥，利用数字全息成像系统将每个所述视觉密钥均制成数字全息图，即通过不同的光学条件，记录为加密后的数字全息图，即应用数字全息术对视觉密钥进行光学加密，通过多重光学密钥进一步提高视觉密码传输过程中的安全性，也使得秘密图像的隐藏、加密和恢复都可以通过数字手段完成，将光学系统与数字系统结合起来，提高信息传输过程中的安全性的同时，也提高了信息传输的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种数字全息信息的隐藏方法流程示意图；
图2为本发明所提供的数字全息成像系统结构示意图；
图3为本发明所提供的一种数字全息信息的提取方法流程示意图；
图4为本发明所提供的一种数字全息信息的隐藏、提取方法的过程示意图；
图5为本发明所提供的一种数字全息信息的隐藏系统结构示意图；
图6为本发明所提供的一种数字全息信息的提取系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种数字全息信息的隐藏、提取方法及系统，提高信息传输过程中的安全性和鲁棒性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的一种数字全息信息的隐藏方法流程示意图，如图1所示，本发明所提供的一种数字全息信息的隐藏方法，包括：
S101，获取待隐藏的信息；所述待隐藏的信息为二值图像。
S102，利用视觉密码术对所述待隐藏的信息进行像素扩展，得到多个视觉密钥VK；所述像素扩展包括垂直扩展、水平扩展及对角线扩展。
S103，利用数字全息成像系统将每个所述视觉密钥均制成数字全息图；所述数字全息成像系统包括两个激光器Laser、第一分束镜BS1、衰减器AT、空间滤波器SF、准直透镜CL、第二分束镜BS2、电压陶瓷PZT、第三分束镜BS3、反射式空间光调制器SLM、第四分束镜BS4、相机以及连接电压陶瓷PZT、反射式空间光调制器SLM和CCD相机的计算机；两个所述激光器Laser发出的激光光束依次通过所述第一分束镜BS1、衰减器AT、空间滤波器SF和准直透镜CL到达所述第二分束镜BS2；所述第二分束镜BS2将所述激光光分为物光和参考光；所述物光透过视觉密钥VK后，经过所述第三分束镜BS3照射到所述反射式空间光调制器SLM上，反射回来的携带信息的光束经过所述第三分束镜BS3重新进入光路；所述参考光经过所述压电陶瓷PZT的控制具有一定的偏转角，与所述物光共同经过所述第四分束镜BS4后，在所述CCD相机处干涉并被所述CCD相机记录为数字全息图，传输到所述计算机PC。
利用数字全息成像系统将每个所述视觉密钥均制成数字全息图，即利用数字全息成像系统中的光学参数对视觉密钥进行加密。光学参数包括系统波长、衍射距离、物光与参考光夹角和CCD相机的像素大小及隐藏时的衰减系数。
S103之前还包括：
搭建所述数字全息成像系统，并如图2所示。两个激光器分别为波长为532nm的绿色半导体激光器Laser1与波长为632.8nm的红色氦氖激光器Laser2。
将每个所述视觉密钥依次放置于所述数字全息成像系统的全息光路中，并将随机相位掩膜加载到所述反射式空间光调制器上，对每个所述视觉密钥分别添加随机相位掩膜。即通过给视觉密钥分别添加随机相位掩膜而对全息图频谱进行置乱。
光路实验操作过程说明：
(1)由于全息光路系统属于干涉成像系统，因此微小的扰动都会对系统造成影响。
(2)使用反射式的空间光调制器，可以将空间光调制器放置于马赫曾德干涉结构以外，便于搭建光路时对光束进行调校，也便于实时调整。
(3)计算机可以对压电陶瓷与空间光调制器进行实时的控制，并实时接收CCD相机的采集结果。无需手动改变光路结构就可以对参考光角度和物光路携带信息进行调整，并实时地观察采集到的数字全息图的变化。
S104，将所述数字全息图按照不同的衰减比例在不同的宿主图像中进行隐藏，得到隐藏后的信息。
S104具体包括：
利用公式Sn＝Hn·αn+In得到隐藏后的信息；其中，Sn为第n个隐藏后的信息，Hn为第n个数字全息图，αn为第n个衰减比例，In为第n个宿主图像。
作为一个具体的实施例，中以对角线扩展为例，将一张大小为256*256像素的手写字母S的二值图像扩展为两个视觉密钥VK1、VK2。
将两个视觉密钥依次放置于全息光路中，并将随机相位掩膜加载到反射式空间光调制器SLM上，第一个视觉密钥VK1使用波长为632.8nm的红光激光器照明，经过d1＝0.1m的衍射后，在CCD相机处与特定角度的参考光R1干涉并记录为数字全息图H1；第二个视觉密钥VK2使用波长为532nm的绿光激光器照明，经过d1＝0.2m的衍射后，在CCD相机处与另一特定角度的参考光R2干涉并记录为数字全息图H2。
Figure BDA0002630536540000071
其中FrT代表特定波长与距离的菲涅尔衍射，
Figure BDA0002630536540000072
为随机函数，指数项为随机相位掩膜。
将数字全息图按照不同的衰减比例α1、α2分别隐藏于不同的宿主图像中I1、I2，得到待传输的图像S1、S2：
Sn＝Hn·αn+In。
图3为本发明所提供的一种数字全息信息的提取方法流程示意图，如图3所示，本发明所提供的一种数字全息信息的提取方法，包括：
S301，利用隐藏后的信息对应的衰减比例确定数字全息图。
即利用公式
Figure BDA0002630536540000073
确定数字全息图。
S302，根据所述数字全息图，利用数字全息成像系统中对应的参考光模拟照明并数字衍射进行恢复重建，得到视觉密钥。
即利用公式
Figure BDA0002630536540000074
得到视觉密钥。其中，conj表示参考光的共轭。
S303，将所有的所述视觉密钥进行空间非相干叠加，得到待隐藏的信息。
图4为本发明所提供的一种数字全息信息的隐藏、提取方法的过程示意图，如图4所示，step1对应像素扩展；step2对应添加随机相位掩膜；step3对应视觉密钥制成数字全息图；step4对应将全息图隐藏于宿主图像中；step5对应数字全息信息提取；step6和step7分别待隐藏的信息的再现。
图5为本发明所提供的一种数字全息信息的隐藏系统结构示意图，如图5所示，本发明所提供的一种数字全息信息的隐藏系统包括：待隐藏的信息获取模块501、视觉密钥确定模块502、数字全息图确定模块503和隐藏后的信息确定模块504。
待隐藏的信息获取模块501用于获取待隐藏的信息；所述待隐藏的信息为二值图像。
视觉密钥确定模块502用于利用视觉密码术对所述待隐藏的信息进行像素扩展，得到多个视觉密钥；所述像素扩展包括垂直扩展、水平扩展及对角线扩展。
数字全息图确定模块503用于利用数字全息成像系统将每个所述视觉密钥均制成数字全息图；所述数字全息成像系统包括两个激光器、第一分束镜、衰减器、空间滤波器、准直透镜、第二分束镜、电压陶瓷、第三分束镜、反射式空间光调制器、第四分束镜、相机以及连接电压陶瓷、反射式空间光调制器和相机的计算机；两个所述激光器发出的激光光束依次通过所述第一分束镜、衰减器、空间滤波器和准直透镜到达所述第二分束镜；所述第二分束镜将所述激光光分为物光和参考光；所述物光透过视觉密钥后，经过所述第三分束器照射到所述反射式空间光调制器上，反射回来的携带信息的光束经过所述第三分束器重新进入光路；所述参考光经过所述压电陶瓷的控制具有一定的偏转角，与所述物光共同经过所述第四分束器后，在所述相机处干涉并被所述相机记录为数字全息图，传输到所述计算机。
隐藏后的信息确定模块504用于将所述数字全息图按照不同的衰减比例在不同的宿主图像中进行隐藏，得到隐藏后的信息。
本发明所提供的一种数字全息信息的隐藏系统，还包括：数字全息成像系统搭建模块和随机相位掩膜添加模块。
数字全息成像系统搭建模块用于搭建所述数字全息成像系统。
随机相位掩膜添加模块用于将每个所述视觉密钥依次放置于所述数字全息成像系统的全息光路中，并将随机相位掩膜加载到所述反射式空间光调制器上，对每个所述视觉密钥分别添加随机相位掩膜。
所述隐藏后的信息确定模块504具体包括：
隐藏后的信息确定单元，用于利用公式Sn＝Hn·αn+In得到隐藏后的信息；其中，Sn为第n个隐藏后的信息，Hn为第n个数字全息图，αn为第n个衰减比例，In为第n个宿主图像。
图6为本发明所提供的一种数字全息信息的提取系统结构示意图，如图6所示，本发明所提供的一种数字全息信息的提取系统，包括：数字全息图提取模块601、视觉密钥恢复重建模块602和待隐藏的信息确定模块603。
数字全息图提取模块601用于利用隐藏后的信息对应的衰减比例确定数字全息图。
视觉密钥恢复重建模块602用于根据所述数字全息图，利用数字全息成像系统中对应的参考光模拟照明并数字衍射进行恢复重建，得到视觉密钥。
待隐藏的信息确定模块603用于将所有的所述视觉密钥进行空间非相干叠加，得到待隐藏的信息。
本发明所提供的一种数字全息信息的隐藏、提取方法及系统具有以下优点：
1.不可感知性:该方案的不可见性通过将信息衰减并嵌入宿主图像来实现。经计算机的模拟分析，宿主图片嵌入信息前后的相关度分别为0.9998和0.9879，人眼在正常情况下无法识别出宿主图片里面隐藏的信息。
2.安全性：系统的照明波长、衍射距离、参考光与物光夹角及相机参数等都可以为系统的加密密钥，为系统提供安全性的支持。此外，对纯振幅的视觉密钥添加随机相位掩膜后对最终的全息图的频谱进行置乱，无法通过简单的滤波提取信息。
3.鲁棒性：全息图对抗噪声与压缩的鲁棒性为系统的鲁棒性提供了支撑。对于系统的鲁棒性分析，采用计算机数值模拟，在宿主图像中加入一定程度的噪声，然后分别恢复重建。通过模拟验证，在噪声增加的过程中，恢复解密的图像依然可以辨别，系统的抗噪声能力强。
本发明利用光学系统的多维参数对信息进行加密并隐藏后传输，由于光学系统的高并行性、高处理速度、多维度等固有优势，可以大大提高系统的效率和安全性。数字全息技术的应用使得秘密图像的隐藏、加密和恢复都可以通过数字手段完成，将光学系统与数字系统结合起来，提高了系统的效率；由于全息图上的每一点都包含整个图像的信息，对原图像起到了扩散作用，从而也增强了系统的鲁棒性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种数字全息信息的隐藏方法，其特征在于，包括：
获取待隐藏的信息；所述待隐藏的信息为二值图像；
利用视觉密码术对所述待隐藏的信息进行像素扩展，得到多个视觉密钥；所述像素扩展包括垂直扩展、水平扩展及对角线扩展；
利用数字全息成像系统将每个所述视觉密钥均制成数字全息图；所述数字全息成像系统包括两个激光器、第一分束镜、衰减器、空间滤波器、准直透镜、第二分束镜、压电陶瓷、第三分束镜、反射式空间光调制器、第四分束镜、相机以及连接压电陶瓷、反射式空间光调制器和相机的计算机；两个所述激光器发出的激光光束依次通过所述第一分束镜、衰减器、空间滤波器和准直透镜到达所述第二分束镜；两个所述激光器发出的激光光束波长不同，且对应不同的视觉密钥；所述第二分束镜将所述激光光束分为物光和参考光；所述物光透过视觉密钥后，经过所述第三分束器照射到所述反射式空间光调制器上，反射回来的携带信息的光束经过所述第三分束器重新进入光路；将随机相位掩膜加载到所述反射式空间光调制器上，对每个所述视觉密钥分别添加随机相位掩膜；所述参考光经过所述压电陶瓷的控制具有一定的偏转角，与所述物光共同经过所述第四分束器后，在所述相机处干涉并被所述相机记录为数字全息图，传输到所述计算机；
将所述数字全息图按照不同的衰减比例在不同的宿主图像中进行隐藏，得到隐藏后的信息。
2.根据权利要求1所述的一种数字全息信息的隐藏方法，其特征在于，所述利用数字全息成像系统将每个所述视觉密钥均制成数字全息图，之前还包括：
搭建所述数字全息成像系统；
将每个所述视觉密钥依次放置于所述数字全息成像系统的全息光路中。
3.根据权利要求1所述的一种数字全息信息的隐藏方法，其特征在于，所述将所述数字全息图按照不同的衰减比例在不同的宿主图像中进行隐藏，得到隐藏后的信息，具体包括：
利用公式
Figure DEST_PATH_IMAGE001
得到隐藏后的信息；其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
为第n个隐藏后的信息，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为第n个数字全息图，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为第n个衰减比例，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为第n个宿主图像。
4.一种针对权利要求1所述的一种数字全息信息的隐藏方法的提取方法，其特征在于，包括：
利用隐藏后的信息对应的衰减比例确定数字全息图；
根据所述数字全息图，利用数字全息成像系统中对应的参考光模拟照明并数字衍射进行恢复重建，得到视觉密钥；
将所有的所述视觉密钥进行空间非相干叠加，得到待隐藏的信息。
5.一种数字全息信息的隐藏系统，其特征在于，包括：
待隐藏的信息获取模块，用于获取待隐藏的信息；所述待隐藏的信息为二值图像；
视觉密钥确定模块，用于利用视觉密码术对所述待隐藏的信息进行像素扩展，得到多个视觉密钥；所述像素扩展包括垂直扩展、水平扩展及对角线扩展；
数字全息图确定模块，用于利用数字全息成像系统将每个所述视觉密钥均制成数字全息图；所述数字全息成像系统包括两个激光器、第一分束镜、衰减器、空间滤波器、准直透镜、第二分束镜、压电陶瓷、第三分束镜、反射式空间光调制器、第四分束镜、相机以及连接压电陶瓷、反射式空间光调制器和相机的计算机；两个所述激光器发出的激光光束依次通过所述第一分束镜、衰减器、空间滤波器和准直透镜到达所述第二分束镜；两个所述激光器发出的激光光束波长不同，且对应不同的视觉密钥；所述第二分束镜将所述激光光束分为物光和参考光；所述物光透过视觉密钥后，经过所述第三分束器照射到所述反射式空间光调制器上，反射回来的携带信息的光束经过所述第三分束器重新进入光路；将随机相位掩膜加载到所述反射式空间光调制器上，对每个所述视觉密钥分别添加随机相位掩膜；所述参考光经过所述压电陶瓷的控制具有一定的偏转角，与所述物光共同经过所述第四分束器后，在所述相机处干涉并被所述相机记录为数字全息图，传输到所述计算机；
隐藏后的信息确定模块，用于将所述数字全息图按照不同的衰减比例在不同的宿主图像中进行隐藏，得到隐藏后的信息。
6.根据权利要求5所述的一种数字全息信息的隐藏系统，其特征在于，还包括：
数字全息成像系统搭建模块，用于搭建所述数字全息成像系统；
随机相位掩膜添加模块，用于将每个所述视觉密钥依次放置于所述数字全息成像系统的全息光路。
7.根据权利要求5所述的一种数字全息信息的隐藏系统，其特征在于，所述隐藏后的信息确定模块具体包括：
隐藏后的信息确定单元，用于利用公式
Figure 455578DEST_PATH_IMAGE001
得到隐藏后的信息；其中，
Figure 323784DEST_PATH_IMAGE002
为第n个隐藏后的信息，
Figure 244466DEST_PATH_IMAGE003
为第n个数字全息图，
Figure 92205DEST_PATH_IMAGE004
为第n个衰减比例，
Figure 437736DEST_PATH_IMAGE005
为第n个宿主图像。
8.一种针对如权利要求5所述的一种数字全息信息的隐藏系统的提取系统，其特征在于，包括：
数字全息图提取模块，用于利用隐藏后的信息对应的衰减比例确定数字全息图；
视觉密钥恢复重建模块，用于根据所述数字全息图，利用数字全息成像系统中对应的参考光模拟照明并数字衍射进行恢复重建，得到视觉密钥；
待隐藏的信息确定模块，用于将所有的所述视觉密钥进行空间非相干叠加，得到待隐藏的信息。
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