CN112583577B - 基于生物密钥的医学图像加密和解密方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于生物密钥的医学图像加密方法。该方法将螺旋相位变换SPT和虹膜相结合产生生物密钥，并结合角谱衍射‑双相位法编码，创建了一个简单高效的加密系统，解决了传统医学图像的加密安全性、加密速度和解密质量的问题。该方法可以有效抵抗噪声和多种特殊攻击。

Description

基于生物密钥的医学图像加密和解密方法
一、技术领域
本发明涉及一种信息安全和信息光学技术领域，特别是医学图像加密方法。
二、背景技术
随着信息时代的到来，对信息安全的需求正在逐渐增加，光学技术已经广泛运用到各个安全领域。光学系统具有并行处理、自由度高、不易复制等优点，使得用于安全数据传输的光学系统得到了广泛的研究。1995年美国的B.Javidi首次提出了基于4-f系统的双随机相位编码技术(DRPE)成为广泛采用的光学加密技术。由于DRPE固有的线性性质和对称性，使其安全性不高且不抗特殊攻击，因此非对称加密应运而生。LUDP分解构成的非对称加密系统具有很高的安全性能，螺旋相位变换中的奇异点使得加密系统能更好的对抗多种攻击，角谱衍射-双相位法编码生成纯相位全息图的方法具有计算速度快、重建质量高的优点而备有关注。由于虹膜生成的生物密钥具有极大有优势，采用这些技术来解决的医学图像加密的安全性问题，在光学图像加密领域仍有极大的潜力和优势。
三、发明内容
本发明针对上述传统医学图像加密技术产生的安全性不高、加密速度慢和解密质量差等问题，提出一种基于生物密钥的医学图像加密和解密方法。该方法将螺旋相位变换SPT和虹膜相结合产生生物密钥，并结合角谱衍射-双相位法编码，创建了一个简单高效的加密系统，解决了传统医学图像的加密安全性、加密速度和解密质量的问题。该方法可以有效抵抗噪声和多种特殊攻击。该方法包括加密和解密两个过程。
所述的加密过程具体描述为：
步骤一，将待加密的医学图像Im，经过角谱衍射-双相位法编码为纯相位计算全息图Hp，其结果为Hp＝AS-DM(Im)，其中，AS-DM为角谱衍射-双相位法编码的过程；
步骤二，利用虹膜图像Ik产生2个生物密钥SPM1和SPM2，具体方法为对虹膜图像做随机相位调制，再对其结果进行螺旋相位变换，然后做振幅截断，得到生物密钥SPM1＝AT{SPT[Ik×exp(jθ1)]}，其中，SPT{}表示螺旋相位变换，AT{}表示振幅截断，θ1是范围在[0,2π)的随机相位,j为虚数单位，采用同样的方法得到生物密钥SPM2，即SPM2＝AT{SPT[Ik×exp(jθ2)]}，其中，θ2是范围在[0,2π)的随机相位；
步骤三，采用生物密钥SPM1对得到纯相位计算全息图Hp进行相位调制，并对调制的结果进行LUDP分解得到L、U和P分量，其过程表示为：[L,U,P]＝LUDP[Hp×SPM1]；
步骤四，采用生物密钥SPM2对L和U分量相乘的结果分量，记为LU分量，进行相位调制，并对调制后的结果进行螺旋相位变换得到加密的密文C＝SPT[(LU)×SPM2]；
步骤五，对P分量做矩阵逆运算，得到私钥PK＝{P}-1,其中{}-1表示矩阵逆运算；
所述的解密过程具体描述为：步骤一，对密文做螺旋相位变换的逆变换，并采用SPM2的共轭做随机相位调制得到LU＝ISPT{C}×conj(SPM2)，其中ISPT{}表示螺旋相位变换的逆变换，conj()表示取共轭操作；
步骤二，对得到LU分量与私钥PK相乘,得到的结果再被SPM1的共轭进行相位调制，得到恢复的纯相位计算全息图Hp＝(LU×PK)×conj(SPM1)；
步骤三，对纯相位计算全息图进行全息再现，得到解密的医学图像明文Im＝AS{Hp},其中，AS{}是角谱衍射过程。
该方法的有益效果在于：结构简单，速度快，安全性强；解密时的全息重建质量高；且由于加密系统的非对称性，具有良好的抗攻击能力。
四、附图的说明
附图1为本发明的解密和解密过程示意图。
附图2为本发明的明文、密文和解密图结果。
五、具体实施方式
下面详细说明本发明基于生物密钥的医学图像加密方法的一个典型实施例，对该方法进行进一步的具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于该方法做进一步的说明，不能理解为对该方法保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述该方法内容对该方法做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
本发明提出一种基于生物密钥的医学图像加密和解密方法，该方法包括加密和解密两个过程，如附图1所示。
所述的加密过程具体描述为：
步骤一，将待加密的医学图像Im，经过角谱衍射-双相位法编码为纯相位计算全息图Hp，其结果为Hp＝AS-DM(Im)，其中，AS-DM为角谱衍射-双相位法编码的过程；
步骤二，利用虹膜图像Ik产生2个生物密钥SPM1和SPM2，具体方法为对虹膜图像做随机相位调制，再对其结果进行螺旋相位变换，然后做振幅截断，得到生物密钥SPM1＝AT{SPT[Ik×exp(jθ1)]}，其中，SPT{}表示螺旋相位变换，AT{}表示振幅截断，θ1是范围在[0,2π)的随机相位,j为虚数单位，采用同样的方法得到生物密钥SPM2，即SPM2＝AT{SPT[Ik×exp(jθ2)]}，其中，θ2是范围在[0,2π)的随机相位；
步骤三，采用生物密钥SPM1对得到纯相位计算全息图Hp进行相位调制，并对调制的结果进行LUDP分解得到L、U和P分量，其过程表示为：[L,U,P]＝LUDP[Hp×SPM1]；
步骤四，采用生物密钥SPM2对L和U分量相乘的结果分量，记为LU分量，进行相位调制，并对调制后的结果进行螺旋相位变换得到加密的密文C＝SPT[(LU)×SPM2]；
步骤五，对P分量做矩阵逆运算，得到私钥PK＝{P}-1,其中{}-1表示矩阵逆运算；
所述的解密过程具体描述为：步骤一，对密文做螺旋相位变换的逆变换，并采用SPM2的共轭做随机相位调制得到LU＝ISPT{C}×conj(SPM2)，其中ISPT{}表示螺旋相位变换的逆变换，conj()表示取共轭操作；
步骤二，对得到LU分量与私钥PK相乘,得到的结果再被SPM1的共轭进行相位调制，得到恢复的纯相位计算全息图Hp＝(LU×PK)×conj(SPM1)；
步骤三，对纯相位计算全息图进行全息再现，得到解密的医学图像明文Im＝AS{Hp},其中，AS{}是角谱衍射过程。
所述的加密过程中的角谱衍射-双相位法编码具体为：先经过一个角谱衍射过程得到衍射场的复振幅分布U，再将复振幅分布U进行双相位编码，得到纯相位计算全息图Hp，其过程表示为：
Figure GDA0003765463550000031
其中，
Figure GDA0003765463550000032
Figure GDA0003765463550000033
acos()为反余弦函数，max()为矩阵取最大值函数，
Figure GDA0003765463550000034
其中M1和M2为互补的二值棋盘格掩模。
所述的加密过程中的随机相位θ1和θ2使用随机发生器或者伪随机发生器产生，例如采用三维洛伦兹混沌系统产生，其公式为：xi＝a×(yi-1-xi-1),yi＝b×xi-1-xi-1×zi-1-yi-1,zi＝xi-1×yi-1-c×zi-1,其中a、b、c为混沌系统的控制参数。
所述的螺旋相位变换是对复振幅U1进行阶数为q的变换，将调制后的二维符号函数sgn(u,v)作为相位板进行变换，MSPF＝exp(j×q×φ(u,v)),其中MSPF表示调制后的符号函数，SPT{U1}＝IFT{MSPF×FT{U1}},其中,FT和IFT分别表示傅里叶变换和傅里叶逆变换。
所述的LUDP分解是一个数学的矩阵分解运算，具体表示为：P×A＝L×U，其中A表示待分解的矩阵，L是一个下三角矩阵，U是一个上三角矩阵，P是一个非奇异矩阵，且存在对应的逆矩阵。
所述的角谱衍射具体公式为：U(x,y)＝AS{U0(x,y)}＝IFT{FT[U0(x,y)]×H(u,v)}，其中，H(u,v)＝exp{j×k×z×sqrt[1-λ2×u2-λ2×v2]},k＝2π/λ是波数，z是衍射距离，λ是波长，(x,y)和(u,v)分别为空域和频域的坐标,U0和U分别为物平面和衍射面的复振幅分布。
本发明的实例中，采用1024×1024的医学图像作为待加密图像，螺旋相位变换的阶数q为30000，混沌系统的控制参数a、b、c分别为10、8/3、28，波长为671纳米，衍射距离为450毫米。本发明的明文、密文和解密图结果如图2所示，其中图2(a)-(c)为明文，图2(d)-(f)为密文，图2(g)-(i)为解密图，可以看出该加密方法的解密质量非常高。

Claims (2)

1.基于生物密钥的医学图像加密和解密方法，其特征在于，该方法包括加密和解密过程两个部分；所述的加密过程具体描述为：步骤一，将待加密的医学图像Im，经过角谱衍射-双相位法编码为纯相位计算全息图Hp，其结果为Hp＝AS-DM(Im)，其中，AS-DM为角谱衍射-双相位法编码的过程；步骤二，利用虹膜图像Ik产生2个生物密钥SPM1和SPM2，具体方法为对虹膜图像做随机相位调制，再对其结果进行螺旋相位变换，然后做振幅截断，得到生物密钥SPM1＝AT{SPT[Ik×exp(jθ1)]}，其中，SPT{}表示螺旋相位变换，AT{}表示振幅截断，θ1是范围在[0,2π)的随机相位,j为虚数单位，采用同样的方法得到生物密钥SPM2，即SPM2＝AT{SPT[Ik×exp(jθ2)]}，其中，θ2是范围在[0,2π)的随机相位；步骤三，采用生物密钥SPM1对得到纯相位计算全息图Hp进行相位调制，并对调制的结果进行LUDP分解得到L、U和P分量，其过程表示为：[L,U,P]＝LUDP[Hp×SPM1]；步骤四，采用生物密钥SPM2对L和U分量相乘的结果分量，记为LU分量，进行相位调制，并对调制后的结果进行螺旋相位变换得到加密的密文C＝SPT[(LU)×SPM2]；步骤五，对P分量做矩阵逆运算，得到私钥PK＝{P}-1,其中{}-1表示矩阵逆运算；所述的解密过程具体描述为：步骤一，对密文做螺旋相位变换的逆变换，并采用SPM2的共轭做随机相位调制得到LU＝ISPT{C}×conj(SPM2)，其中ISPT{}表示螺旋相位变换的逆变换，conj()表示取共轭操作；步骤二，对得到LU分量与私钥PK相乘,得到的结果再被SPM1的共轭进行相位调制，得到恢复的纯相位计算全息图Hp＝(LU×PK)×conj(SPM1)；步骤三，对纯相位计算全息图进行全息再现，得到解密的医学图像明文Im＝AS{Hp},其中，AS{}是角谱衍射过程。
2.根据权利要求1所述的基于生物密钥的医学图像加密方法，所述的随机相位θ1和θ2使用随机发生器或者伪随机发生器产生。
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