CN112131592B - 基于qr码存储公用二值加密相位模板的多重三维物体加密方法 - Google Patents

基于qr码存储公用二值加密相位模板的多重三维物体加密方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开基于QR码存储公用二值加密相位模板的多重三维物体加密方法，三维物体原始像物光波信号取共轭后再乘以一个随机相位模板形成复噪声形式物光波信号；将各个三维物体的复噪声形式物光波信号相加形成复合光波信号；将复合光波信号分解为两个相位函数之和；取一个相位函数作二值相位处理构建公用加密相位模板；公用二值加密相位模板分块后生成QR码。二值加密相位模板信号与各三维物体原始像物光波信号共轭形成解密用复信号，将解密用复信号分解为两个相位函数之和，分别用作解密相位模板1和解密相位模板2。QR码扫码获取二值相位模板，在虚拟光路特定平面放置二值加密相位模板及对应的解密相位模板1和解密相位模板2重建各个三维物体。本发明具有良好的安全性和稳健性。

Description

基于QR码存储公用二值加密相位模板的多重三维物体加密方法
技术领域
本发明涉及三维物体加密技术，尤其涉及基于QR码存储公用二值加密相位模板的多重三维物体加密方法。
背景技术
物体的三维显示可带给观看者身临其境感，在机器视觉、3D电影、3D电视、3D通话、3D地图、3D游戏、导航、远程医疗等领域有着广阔的发展空间。物体的三维显示与记录物体三维空间信息的载体密切相关。全息图能够记录物光波振幅与相位的全部信息，是三维显示的重要信息源。数字全息技术通过全息图记录、传输与再现的全数字处理可做到异地实时三维显示。
计算机、互联网及移动智能终端的飞速发展使数字作品的传播更加容易但同时也带来了数字作品的安全性问题，在多用户认证、内容分发、扩大加密信息容量等应用场合，怎样解决多重数字作品的安全性是一个值得研究的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供基于QR码存储公用二值加密相位模板的多重三维物体加密方法，用于提升包含三维物体信息的数字载体的安全性并提高传输性能和抗干扰能力。
本发明采用的技术方案是：
基于QR码存储公用二值加密相位模板的多重三维物体加密方法，其包括加密部分和解密部分，具体步骤如下：
加密步骤：
S1-1，从记录三维物体菲涅尔衍射光波的离轴菲涅尔数字全息图提取三维物体原始像物光波信号；
S1-2，将每个三维物体原始像物光波信号取共轭后乘以一个随机相位模板形成复噪声形式物光波信号；
S1-3，将各个三维物体的复噪声形式物光波信号相加形成包含多个三维物体信息的噪声形式的复合光波信号；
S1-4，将复合光波信号分解为两个相位函数之和；
S1-5，取其中一个相位函数作二值相位处理构建公用二值加密相位模板；
S1-6，对公用二值加密相位模板分块处理，将分块后的二值相位作十进制数符编码后生成QR码，实现二值相位的QR码存储；
S1-7，公用二值加密相位模板信号与各三维物体原始像物光波信号的共轭组合形成解密用复信号，将解密用复信号分解为两个相位函数之和，分别用作解密相位模板1和解密相位模板2；
解密步骤：
S2-1，扫码识别QR码，并解码恢复得到公用二值加密相位模板；
S2-2，搭建虚拟光路，在虚拟光路的特定平面分别放置解密相位模板1、解密相位模板2和公用二值加密相位模板；
S2-3，计算平行光照射下各支路光波信号在CCD平面形成的衍射光波信号之和获得三维物体重建像；
S2-4，改变虚拟光路中的解密相位模板1和解密相位模板2重建其他三维物体。
进一步地，步骤S1-1中从离轴数字全息图I(x,y)用图像预处理的方法提取原始像物光波信号，即三维物体在全息记录面的菲涅尔衍射光波信号UH用公式(3)表示。
Figure BDA0002710543040000021
其中，F与F-1分别表示傅里叶正变换与逆变换，W(u,v)是滤出三维物体原始像频谱分量的窗函数；UH是三维物体原始像物光波信号，即三维物体在全息面的菲涅尔衍射光波信号；FrT表示菲涅尔衍射计算，O(x,y)表示原始物平面光波信号，d表示三维物体原始物平面与全息面之间的距离，λ表示光波长。
进一步地，步骤S1-2中三维物体i的原始像物光波取共轭后的信号表示为：
Figure BDA0002710543040000022
进一步地，步骤S1-3中包含N个三维物体衍射光波信息的复合光波信号表示为：
Figure BDA0002710543040000023
其中，Bmax＝max(abs(S))，max()表示取最大值，abs()表示取幅度，
Figure BDA0002710543040000024
Ri表示随机相位模板；
进一步地，步骤S1-4中复合光波信号中的S1分解为两个相位函数之和，即
Figure BDA0002710543040000031
其中
Figure BDA0002710543040000032
进一步地，步骤S1-5中将相位f1二值化形成二值加密相位E；
E＝bin(f1) (7)
其中bin()表示二值化处理；该二值加密相位模板ejE包含了多个三维物体的公有信息，作为公用的加密相位模板使用。
进一步地，步骤S1-7中以三维物体i的解密复信号为例，解密复信号表示为：
Figure BDA0002710543040000033
将复信号Key分解为两个相位函数之和，即
Figure BDA0002710543040000034
其中
Figure BDA0002710543040000035
D1和D2将作为解密相位模板使用。
进一步地，步骤S2-2中三维物体的虚拟光路包括两个分束器(BS1和BS2)和三个相位模板(解密相位模板1、解密相位模板2和加密相位模板E)。激光光源提供波长为λ的三束相干平行光，分别垂直照射解密相位模板1、解密相位模板2和加密相位模板E。分束器1组合来自解密相位模板1支路和解密相位模板2支路的衍射光波分量，分束器2组合来自分束1的组合衍射光波分量与来自加密相位模板支路的衍射光波分量，CCD平面输出解密图像。解密相位模板1、解密相位模板2和加密相位模板E与CCD平面之间的衍射距离为di。
进一步地，步骤S2-3中CCD平面的三维物体重建信号用公式(10)表示为：
Figure BDA0002710543040000036
且重建三维物体的质量用公式(11)所示的相关系数NC评价：平面
Figure BDA0002710543040000037
其中O表示从离轴数字全息图重建的三维物体，RecO是利用两个解密相位模板D1和D2和二值加密相位模板E解密出的三维物体。
本发明采用以上技术方案，首先通过图像预处理从记录三维物体菲涅尔衍射光波的离轴菲涅尔数字全息图提取三维物体原始像物光波信号，该物光波信号取共轭后再乘以一个随机相位模板形成复噪声形式物光波信号；将来自各个三维物体的复噪声形式的物光波信号相加形成包含多个三维物体信息的噪声形式的复合光波信号；将复合光波信号分解为两个相位函数之和；取其中一个相位函数作二值相位处理构建公用加密相位模板；公用二值加密相位模板分块处理，分块后的二值相位作十进制数符编码后生成QR码，实现二值相位的QR码存储。公用二值加密相位模板信号与各三维物体原始像物光波信号的共轭组合形成解密用复信号，将解密用复信号分解为两个相位函数之和，分别用作解密相位模板1和解密相位模板2。QR码扫码识别并解码恢复二值相位模板，通过在虚拟光路特定平面放置公用二值加密相位模板及与各个三维物体相对应的解密相位模板1和解密相位模板2，可在CCD平面重建各个三维物体。数字再现测试结果表明，所提出的方法具有良好的安全性和稳健性，解密相位模板缺失或解密相位错误都将导致三维物体重建失败，而存储二值相位的的QR码在经历各类噪声、部分缺失、高斯模糊等攻击的情况下，仍可由恢复的二值相位实现原始三维物体高质量重建，QR码的引入提升了二值相位模板抗干扰性能。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；
图1为本发明加密算法流程示意图；
图2为本发明解密算法流程示意图；
图3为离轴全息记录光路及全息图空间频谱分布示意图；
图4为多重三维物体加密原理框图；
图5为二值相位的十进制数符编码流程示意图；
图6为用于解密三维物体的虚拟光路示意图；
图7为原始三维物体、离轴菲涅尔数字全息图及重建三维物体的对比示意图；
图8为二值加密相位模板示意图。
图9为存储了二值相位模板信息的QR码示意图；
图10为三维物体解密相位模板及解密结果示意图；
图11为不同相位模板组合下三维物体1的重建像及与从离轴数字全息图重建三维物体之间的相似度对比图；
图12为错误相位比率与相似度之间的关系示意图；
图13为QR码受损时解密结果示意图；
图14未使用QR码时的解密结果示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1至14之一所示，本发明最关键的构思在于：首先通过图像预处理从记录三维物体菲涅尔衍射光波的离轴菲涅尔数字全息图提取三维物体原始像物光波信号，该物光波信号取共轭后再乘以一个随机相位模板形成复噪声形式物光波信号；将来自各个三维物体的复噪声形式的物光波信号相加形成包含多个三维物体信息的噪声形式的复合光波信号；将复合光波信号分解为两个相位函数之和；取其中一个相位函数作二值相位处理构建公用加密相位模板；公用二值加密相位模板分块处理，分块后的二值相位作十进制数符编码后生成QR码，实现二值相位的QR码存储。二值加密相位模板信号与各三维物体原始像物光波信号的共轭组合形成解密用复信号，将解密用复信号分解为两个相位函数之和，分别用作解密相位模板1和解密相位模板2。QR码扫码识别并解码恢复二值相位模板，通过在虚拟光路特定平面放置二值加密相位模板及与各个三维物体相对应的解密相位模板1和解密相位模板2，可在CCD平面重建各个三维物体。数字再现测试结果表明，所提出的方法具有良好的安全性和稳健性，解密相位模板缺失或解密相位错误都将导致三维物体重建失败，而存储二值相位的的QR码在经历各类噪声、部分缺失、高斯模糊等攻击的情况下，仍可由恢复的二值相位实现原始三维物体高质量重建，QR码的引入提升了二值相位模板抗干扰性能。可广泛应用在数据保密领域。
请参阅图1，基于QR码存储公用二值加密相位模板的多重三维物体加密方法，包括：
(1)首先通过图像预处理从记录三维物体菲涅尔衍射光波的离轴菲涅尔数字全息图提取三维物体原始像物光波信号；
(2)该物光波信号取共轭后再乘以一个随机相位模板形成复噪声形式物光波信号；
(3)将来自各个三维物体的复噪声形式的物光波信号相加形成包含多个三维物体信息的噪声形式的复合光波信号；
(4)将复合光波信号分解为两个相位函数之和；
(5)取其中一个相位函数作二值相位处理构建公用加密相位模板；
(6)公用二值加密相位模板分块处理，分块后的二值相位作十进制数符编码后生成QR码，实现二值相位的QR码存储。
(7)二值加密相位模板信号与各三维物体原始像物光波信号的共轭组合形成解密用复信号，将解密用复信号分解为两个相位函数之和，分别用作解密相位模板1和解密相位模板2。
请参阅图2，解密步骤包括：
(1)QR码扫码识别并解码恢复二值相位模板；
(2)搭建虚拟光路，在虚拟光路的特定平面分别放置解密相位模板1，解密相位模板2以及二值加密相位模板；
(3)计算平行光照射下各支路光波信号在CCD平面形成的衍射光波信号之和，获得三维物体重建像；
(4)改变虚拟光路中的解密相位模板1和解密相位模板2，重建其他三维物体。
离轴菲涅尔数字全息术中，全息记录平面记录的全息图是物体的菲涅尔衍射光波与参考光波相干涉形成的干涉条纹，干涉条纹的强度I(x,y)可表示为：
I(x,y)＝|R(x,y)|2+|UH(x,y)|2+UH(x,y)R*(x,y)+UH*(x,y)R(x,y) (1)
其中UH(x,y)表示三维物体在全息记录平面的菲涅尔衍射光波，R(x,y)表示参考光，*表示共轭。
请参阅图3，设物平面与全息记录平面的距离为d，光波长为λ，三维物体U0(x0,y0；z)在全息记录平面的菲涅尔衍射光波可以用公式(2)表示。
Figure BDA0002710543040000061
其中Δ表示物体沿z轴方向的深度。
如图3所示，根据全息照相理论，光学离轴全息图的空间频谱分布包括原始像频谱、共轭像频谱与零级像频谱。设物体带宽为B，原始像与共轭像频谱带宽为B，零级像频谱带宽为2B。
从离轴数字全息图I(x,y)用图像预处理的方法提取原始像物光波信号，即三维物体在全息记录面的菲涅尔衍射光波信号UH可以用公式(3)表示。
Figure BDA0002710543040000062
其中F与F-1分别表示傅里叶正变换与逆变换，W(u,v)是滤出三维物体原始像频谱分量的窗函数。UH是三维物体原始像物光波信号，即三维物体在全息面的菲涅尔衍射光波信号；FrT表示菲涅尔衍射计算，O(x,y)表示原始物平面光波信号，d表示三维物体原始物平面与全息面之间的距离。λ表示光波长。
为了实现多重三维物体加密，经过预处理的各个三维物体衍射光波信号作进一步处理产生加密及解密相位模板。请参阅图4，图4是多重三维物体加密原理框图。
设一共有N个三维物体，首先对各个三维物体的原始像物光波信号取共轭后乘以一个随机相位模板，得到受干扰的物光波分布，再将来自各个三维物体的受干扰的衍射光波分布信号相加，得到包含多个三维物体物光波信息的的复合光波信号，复合光波信号表现为噪声形式。将该复合光波信号分解为两个相位函数相加，取其中一个相位函数作二值化处理，得到二值加密相位模板；该二值加密相位模板分块处理，对各分块后的二值加密相位模板作十进制数符编码处理，并生成QR码，实现二值相位模板的QR码存储。
三维物体i的原始像物光波取共轭后的信号可表示为：
Figure BDA0002710543040000071
包含N个三维物体衍射光波信息的复合光波信号可表示为：
Figure BDA0002710543040000072
其中，Bmax＝max(abs(S))，max()表示取最大值，abs()表示取幅度，
Figure BDA0002710543040000073
Ri表示随机相位模板。
S1可以分解为两个相位函数相加的形式，即
Figure BDA0002710543040000074
其中
Figure BDA0002710543040000075
将相位f1二值化，形成二值加密相位E。
E＝bin(f1) (7)
其中bin()表示二值化处理。该二值加密相位模板ejE包含了多个三维物体的公有信息，作为公用的加密相位模板使用。
为了用QR码存储二值相位，综合考虑QR码容量及易识别程度，二值相位先分块，对分块后的二值相位用十进制数符进行编码，再将十进制数符生成QR码，实现二值相位模板的QR码存储。
请参阅图5，分块后相位的十进制数符编码流程如图5所示。十进制数符与二值相位之间的转换与编码相反。
将加密相位模板与各个三维物体的原始像物光波信号的共轭组合，形成用于解密各个三维物体的复信号，以三维物体i的解密复信号为例，解密复信号可以表示为：
Figure BDA0002710543040000081
将复信号Key分解为两个相位函数之和，即
Figure BDA0002710543040000082
其中
Figure BDA0002710543040000083
D1和D2将作为解密相位模板使用。
请参阅图6，图6是用于解密各个三维物体的虚拟光路图。其中D1、D2和E分别表示解密相位模板1、解密相位模板2和二值加密相位模板，BS代表分束器。di是各离轴数字全息图中记录三维物体物光波所使用的记录距离。图(6)中，CCD平面的三维物体重建信号用公式(10)表示。
Figure BDA0002710543040000084
用公式(11)所示的相关系数NC评价重建三维物体的质量。
Figure BDA0002710543040000085
其中O表示从离轴数字全息图重建的三维物体，RecO是利用两个解密相位模板D1和D2和二值加密相位模板E解密出的三维物体。
请参阅图7，图7(a)代表三个三维物体，大小为64*64像素；(b)表示记录三维物体的离轴菲涅尔数字全息图，大小256*256像素；(c)是从离轴全息图重建的三个三维物体。其中记录三维物体的离轴数字全息图的记录参数设置为：(1)三维物体1：波长λ＝532nm，物体与全息记录平面的距离1000mm；(2)三维物体2：波长λ＝532nm，物体与全息记录平面的距离1100mm；(3)三维物体3：波长λ＝532nm，物体与全息记录平面的距离1200mm。
请参阅图8，图8是二值加密相位模板，大小64*64像素。将二值相位模板分为8块，每一分块转为一维二值字符序列后用十进制数符编码，再用十进制数符序列生成QR码，实现二值相位的QR码存储。图9是存储了图8二值相位模板信息的8个QR码。
请参阅图10，图10是对应三维物体1、三维物体2和三维物体3的256级灰度解密相位模板。
请参阅图11，图11是不同相位模板组合下三维物体1的重建像及与从离轴数字全息图重建三维物体之间的相似度，其中E表示公用的二值加密相位模板；D1和D2分别表示解密相位模板1和解密相位模板2，任一相位模板缺失都将无法重建原始三维物体。
请参阅图12，图12是加密及解密相位模板出现错误相位情况下解密出的三维物体与从离轴数字全息图重建三维物体之间的相似度之间的关系，对各个相位模板，当错误相位超过2％，将无法重建原始三维物体。
请参阅图13，图13是以三维物体1为例，当存储二值相位信息的QR码受损时的识别情况及利用识别结果解密的三维物体1，实验中8个QR码受损情况相同。
请参阅图14，图14是未用QR码存储二值相位，当二值加密相位模板经历与QR码相同的干扰情况下三维物体1的重建像及所重建三维物体与从离轴数字全息图重建三维物体之间的相似度之间的关系，可看出在经历同等强度干扰情况下三维物体将无法重建。
显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (8)

1.基于QR码存储公用二值加密相位模板的多重三维物体加密方法，其特征在于：其包括加密部分和解密部分，具体步骤如下：
加密步骤：
S1-1，从记录三维物体菲涅尔衍射光波的离轴菲涅尔数字全息图提取全息记录面的三维物体原始像物光波信号；步骤S1-1中从离轴菲涅尔数字全息图I(x,y)用图像预处理的方法提取原始像物光波信号，即全息记录面的三维物体原始像物光波信号UH用公式(3)表示；
Figure FDA0004140471750000011
其中，F与F-1分别表示傅里叶正变换与逆变换，W(u,v)是滤出三维物体原始像频谱分量的窗函数；UH是全息记录面的三维物体原始像物光波信号，即三维物体在全息面的菲涅尔衍射光波信号；FrT表示菲涅尔衍射计算，O(x,y)表示原始物平面光波信号，d表示三维物体原始物平面与全息面之间的距离，λ表示光波长；
S1-2，将每个全息记录面的三维物体原始像物光波信号取共轭后乘以一个随机相位模板形成复噪声形式物光波信号；
S1-3，将各个三维物体的复噪声形式物光波信号相加形成包含多个三维物体的复噪声形式物光波信号的噪声形式的复合光波信号；
S1-4，将复合光波信号分解为两个相位函数之和；
S1-5，取其中一个相位函数作二值相位处理构建公用二值加密相位模板；
S1-6，对公用二值加密相位模板分块处理，将分块后的二值相位作十进制数符编码后生成QR码，实现二值相位的QR码存储；
S1-7，公用二值加密相位模板信号与各三维物体原始像物光波信号的共轭组合形成解密用复信号，将解密用复信号分解为两个相位函数之和，分别用作解密相位模板1和解密相位模板2；
解密步骤：
S2-1，扫码识别QR码，并解码恢复得到公用二值加密相位模板；
S2-2，搭建虚拟光路，在虚拟光路的特定平面分别放置解密相位模板1、解密相位模板2和公用二值加密相位模板；
S2-3，计算平行光照射下各支路光波信号在CCD平面形成的衍射光波信号之和获得三维物体重建像；
S2-4，改变虚拟光路中的解密相位模板1和解密相位模板2重建其他三维物体。
2.根据权利要求1所述的基于QR码存储公用二值加密相位模板的多重三维物体加密方法，其特征在于：步骤S1-2中三维物体i的原始像物光波取共轭后的信号表示为：
Figure FDA0004140471750000021
3.根据权利要求2所述的基于QR码存储公用二值加密相位模板的多重三维物体加密方法，其特征在于：步骤S1-3中包含N个三维物体的复噪声形式物光波信号的噪声形式的复合光波信号表示为：
Figure FDA0004140471750000022
其中，Bmax＝max(abs(S))，max()表示取最大值，abs()表示取幅度，
Figure FDA0004140471750000023
Ri表示随机相位。
4.根据权利要求3所述的基于QR码存储公用二值加密相位模板的多重三维物体加密方法，其特征在于：步骤S1-4中复合光波信号中的S1分解为两个相位函数之和，即
Figure FDA0004140471750000024
其中
Figure FDA0004140471750000025
5.根据权利要求4所述的基于QR码存储公用二值加密相位模板的多重三维物体加密方法，其特征在于：步骤S1-5中将相位f1二值化形成二值加密相位E；
E＝bin(f1) (7)
其中bin()表示二值化处理；二值加密相位模板ejE包含了多个三维物体的公有信息，作为公用的加密相位模板使用。
6.根据权利要求5所述的基于QR码存储公用二值加密相位模板的多重三维物体加密方法，其特征在于：步骤S1-7中以三维物体i的解密复信号为例，解密复信号表示为：
Figure FDA0004140471750000026
将复信号Key分解为两个相位函数之和，即
Figure FDA0004140471750000031
其中
Figure FDA0004140471750000032
D1和D2将作为解密相位使用。
7.根据权利要求1所述的基于QR码存储公用二值加密相位模板的多重三维物体加密方法，其特征在于：步骤S2-2中三维物体的虚拟光路包括分束器1、分束器2、解密相位模板1、解密相位模板2和二值加密相位模板ejE；激光光源提供波长为λ的三束相干平行光，分别垂直照射解密相位模板1、解密相位模板2和二值加密相位模板ejE，分束器1组合来自解密相位模板1支路和解密相位模板2支路的衍射光波分量，分束器2组合来自分束1的组合衍射光波分量与来自加密相位模板支路的衍射光波分量，CCD平面输出解密图像；解密相位模板1、解密相位模板2和二值加密相位模板ejE与CCD平面之间的衍射距离为di。
8.根据权利要求7所述的基于QR码存储公用二值加密相位模板的多重三维物体加密方法，其特征在于：步骤S2-3中CCD平面的三维物体重建信号用公式(10)表示为：
Figure FDA0004140471750000033
且重建三维物体的质量用公式(11)所示的相关系数NC评价：
Figure FDA0004140471750000034
其中O表示从离轴菲涅尔数字全息图重建的三维物体，RecO是利用两个解密相位D1和D2和二值加密相位模板ejE解密出的三维物体。
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