CN113253452B - 基于二维码的光学信息隐藏方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于二维码的光学信息隐藏方法及系统，根据待隐藏的二维码对相位板的相位进行设计，使得当相位板在特定角度下能够通过入射光波的照射在输出像面上得到二维码图像，实现了将二维码图像为信息载体的光学信息隐藏方法，本发明通过将二维码编码到纯相位掩膜中并隐藏在光学元件中，增强了对比度，能够有效应对系统对图像恢复的细节损失，提高了系统的鲁棒性。同时由于二维码能够容纳更多的信息，采用二维码与方位角复用的光学信息隐藏系统能够具有更高的容量。

Description

基于二维码的光学信息隐藏方法及系统

技术领域

本发明涉及光学信息处理技术领域，特别是涉及一种基于二维码的光学信息隐藏方法及系统。

背景技术

光学信息隐藏技术具有多维度、大容量、高鲁棒性以及固有的并行处理等诸多优势，近年来被广泛应用于信息安全领域。

然而，现有技术中往往采用对称的加密隐藏方法对光学信息进行隐藏，虽然易于实现但无法保障系统的安全性。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于二维码的光学信息隐藏方法及系统，能够很好的提高光学信息隐藏的鲁棒性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于二维码的光学信息隐藏方法，所述方法包括：

根据待隐藏信息生成待隐藏二维码，并设定光学系统参数；所述光学系统参数包括入射光波长、随机相位板之间的间距、随机相位板与输出像面的间距；

结合所述待隐藏二维码与所述光学系统参数，通过相位恢复迭代算法对多个随机相位板进行设计得到多个设计好的相位板，将所述待隐藏二维码隐藏至所述多个设计好的相位板中，完成对所述待隐藏信息的隐藏。

一种基于二维码的光学信息隐藏系统，所述系统采用如上所述的光学信息隐藏方法，所述系统包括：

多个相位板，所述相位板排列于光轴上，相邻两所述相位板之间间隔固定距离，且所述相位板相对于所述光轴的旋转角可调；

光波发生装置，置于光路起始点，用于使光波穿过多个所述相位板，对多个所述相位板进行设计。

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：

本发明提供了一种基于二维码的光学信息隐藏方法及系统，根据待隐藏的二维码对相位板的相位进行设计，使得当相位板在特定角度下能够通过入射光波的照射在输出像面上得到二维码图像，实现了将二维码图像作为信息载体的光学信息隐藏方法，本发明通过将二维码编码到纯相位掩膜中并隐藏在光学元件中，增强了对比度，能够有效应对系统对图像恢复的细节损失，提高了系统的鲁棒性。同时由于二维码能够容纳更多的信息，采用二维码与方位角复用的光学信息隐藏系统能够具有更高的容量。

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为本发明实施例提供的一种基于二维码的光学信息隐藏方法流程图；

图2为本发明实施例提供的一种基于二维码的光学信息隐藏系统结构图；

图3为本发明实施例提供的基于二维码的光学信息隐藏系统恢复信息示意图。

符号说明：

1-相位板；2-光波发生装置。

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。

级联相位结构最早应用于信息安全可以追溯到1995年Javidi的双随机相位加密系统，将随机相位板RPM1紧贴于原始秘密图像f(x,y)放在输入平面上,在平行光的照射下，输入图像f(x,y)接受RPM1的随机相位调制，经过第一个光学透镜的傅里叶变换到达傅里叶频谱面,并被另一块随机相位板RPM2调制,再经第二个透镜的变换，在输出平面得到振幅与相位均为白噪声分布的加密图像f₀(x,y)，将它直接嵌入位于该平面内的载体图像g₀(x,y)中,最终获得携有秘密信息的隐秘图像g(x,y)＝f₀(x,y)+g₀(x,y)的输出。

还有一种菲涅尔域信息隐藏方法，系统结构仍然是入射的相干光经过两块纯相位掩膜的调制在目标平面输出，但纯相位掩膜并非完全随机，而是事先经过算法设计，使得入射光经过两次调制衍射后在目标平面输出预先设计好的图像。

上述光学图像加密隐藏方法都是对称的，将随机相位板的随机相位函数分布作为系统的密钥，无法保证系统的安全性。

本发明的目的是提供一种基于二维码的光学信息隐藏方法及系统，考虑到二维码是鲁棒性极强的二值化图片，通过增强对比度抵抗系统对图像恢复的细节损失，将含有待隐藏信息的二维码编码到纯相位掩膜中并隐藏在二元光学元件中，不仅提高了光学信息隐藏系统的鲁棒性，同时增加了对信息的容量。

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。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种基于二维码的光学信息隐藏方法，所述方法包括：

步骤101：根据待隐藏信息生成待隐藏二维码，并设定光学系统参数；所述光学系统参数包括入射光波长、随机相位板之间的间距、随机相位板与输出像面的间距；

步骤102：结合所述待隐藏二维码与所述光学系统参数，通过相位恢复迭代算法对多个随机相位板进行设计得到多个设计好的相位板，将所述待隐藏二维码隐藏至所述多个设计好的相位板中，完成对所述待隐藏信息的隐藏。

若直接将普通图片作为输出函数，由于各个图片在空间调制过程中的干扰损耗，会降低图像质量和图片隐藏的数量，本实施例提出将高清图片或其它需要隐藏的信息存入二维码，光波通过各相位调制层传播时，将待隐藏的二维码进行隐藏，当旋转至特定角度时，将隐藏起来的二维码进行恢复，得到待隐藏的信息。

二维码自身鲁棒性强，可以对抗迭代算法中的细节损失，且二维码是二值化图片，因此可以通过阈值化处理来提升对比度，从而恢复出可以扫描的清晰二维码，其次二维码可以储存大量的信息，例如高清彩图、网页、文本等多类型内容。二维码与方位角的结合不仅提升了系统的复用容量，也进一步提高了系统的鲁棒性。

具体的，在进行相位板设计时，依次排列多个随机相位板，然后根据所述待隐藏二维码对所述多个随机相位板的相位进行多次约束，得到多个设计好的相位板。

而多次约束的具体过程为：

使入射光依次经过多个所述随机相位板后衍射到输出像面，得到第一入射光；

使用所述待隐藏二维码的振幅替换所述第一入射光的振幅，得到第二入射光；

将所述第二入射光由所述输出像面逆衍射，反向经过多个所述随机相位板，对多个所述随机相位板的相位进行修正，得到多个当前次相位板；

判断是否达到终止条件，若是，则将多个所述当前次相位板作为设计好的相位板，否则将多个所述当前次相位板作为新的随机相位板返回“使入射光依次经过多个所述随机相位板后衍射到输出像面，得到第一入射光”。

对多个所述随机相位板的相位进行修正时，为了方便描述，以所述入射光经过所述多个随机相位板的顺序依次将所述多个随机相位板命名为第一随机相位板至第N随机相位板，所述N为正整数。

首先根据所述第二入射光的振幅与所述第一入射光经过所述第N随机相位板前的振幅对所述第N随机相位板的相位进行修正，然后根据所述第N随机相位板的相位与所述第一入射光经过所述第N-1随机相位板前的振幅对所述第N-1随机相位板的相位进行修正，直至修正所有的所述随机相位板。

为了使光学信息隐藏方法能够隐藏更多的信息，本实施例将二维码与方位角复用相结合，方位角复用由多层相位调制层组成，由一个短的自由传播距离隔开，且每层可以相对于光轴旋转。当旋转相位调制层至特定的角度，光波通过各相位调制层传播时，方位复用系统不同的方位角状态产生不同的输出函数，输出函数可预设。

具体的，在对随机相位板进行多次约束时，若待隐藏二维码为多个，则使用一待隐藏二维码对所述多个随机相位板的相位进行修正后，将所有所述随机相位板皆旋转相同的角度后，使用另一未进行约束的待隐藏二维码再次对所述多个随机相位板的相位进行修正，直至所有所述待隐藏二维码皆参与过约束过程，得到多个所述当前次相位板。

为了更准确的判断相位迭代算法的终止条件，在根据当前次相位板得到当前次恢复二维码后，计算所述当前次恢复二维码与所述待隐藏二维码的相关系数，若所述相关系数在预设阈值范围内，则视为满足所述终止条件，否则为不满足所述终止条件。

而相关系数具体为

其中，g_{r_1}表示当前次恢复二维码，g₁表示待隐藏二维码，

代表波长为λ，传播距离为z₂时的傅里叶变换，

和

分别表示修正后的两块相位板的相位，cov(g_{r_1},g₁)为g_{r_}1与g1之间的互协方差，σ_gr1和σ_g1分别代表g_{r_1}和g₁的标准差，Co(g_{r_1},g₁)为相关系数。

为了保证系统的加密效果，在确定待隐藏二维码，设定光学系统参数之后，还包括使用随机数生成器生成随机分布函数作为随机相位板相位初始值。

完成随机相位板的设计，得到设计好的相位板后，即可使用设计好的相位板对所述待隐藏二维码进行恢复，使入射光依次通过所述设计好的相位板得到恢复出的二维码图像，得到恢复出的二维码图像后，对所述恢复出的二维码图像进行阈值化处理，得到更加清晰的二维码图像。

为了对本实施例所提供的方法进行更加清楚地说明，下面以两个随机相位板隐藏两张二维码为例进行具体说明，值得注意的是，本实施例对随机相位板的个数以及待隐藏二维码的张数不做限制，任何能够实现本实施例所述的光学隐藏方法的参数选择均落入本发明的保护范围内。

在两块相位板设计过程中，将二维码隐藏于菲涅尔域中，通过相位恢复算法,将它们隐藏于不同方位角组合状态下的两个及更多不可见的相位板中。相位板的信息无法通过强度检测器(电荷耦合器件和裸眼)直接检测到，有效地降低了被攻击的可能性。旋转相位板至不同特定的角度，光波通过各相位板传播后，可以在输出平面上得到一个二维码,继续旋转相位板至其它的角度，可以在输出平面上得到不同的二维码。

在隐藏两张二维码时，需要在两个相位板的两个方位角状态中分别隐藏一张，主要过程共分为三个循环。固定两块初始随机相位板的顺序和位置，二维码为振幅约束面，放置在两张相位板后面的一定距离处。平行光依次通过两块随机相位板，被调制后到达振幅约束面，使用第一张二维码进行振幅约束，约束后的光具有新振幅和相位，反方向进行逆衍射再依次经过两块相位板，并在这个过程中对第二块相位板进行更新，这是第一个循环，也是一次基础迭代。之后再更换不同的二维码为新的振幅约束，以同一个固定角度同时旋转两块相位板，用第一个循环最后具有新相位的光再重复上述步骤，这是第二个循环，是所有参与振幅约束的二维码的一次完整小循环。重复上述两个循环，迭代一定次数即为一个大循环。

具体步骤如下：

1.确定宿主图像(f₀或平行光入射)和待隐藏二维码(g_n)，设定光学系统参数：波长λ，第一块相位板POM₁与第二块相位板POM₂间距z₁，POM₂与输出像面g_n间距z₂；

2.使用下述相位恢复迭代算法，利用输出像面的振幅约束，设计两个相位板(以平行光入射为例)

1)使用随机数生成器生成两个随机分布函数

和

(其中上标代表迭代次数k,下标f代表方向为正向传播forward)，作为POM₁和POM₂相位的初始值；

2)入射光经过第一个相位板(位于ω₁方位角)的调制后表示为：

其中，下标1表示n个角度的第一个，衍射到第二块相位板前，

代表波长为λ，传播距离为z₁时的傅里叶变换，

代表第一次迭代时正向传播到第二块相位板前时的振幅，

表示第一次迭代时正向传播到第二块相位板前时的相位。

3)经过第一块相位板的入射光到达第二块相位板前的波面再次经过第二块相位板(位于θ₁方位角)的调制后，表示为：

其中，下标1表示第n个角度，衍射到输出像面，

表示衍射到输出平面的振幅，σ¹表示衍射到输出平面的相位。

4)用输出像面的振幅g₁(待加密隐藏的第一张二维码)替换上一步衍射到输出像面的振幅，保留其相位：

5)将约束后的波面逆衍射到第二块相位板前：

其中，iFrT表示逆衍射，

表示逆衍射到第二块相位板前的振幅，

表示逆衍射到第二块相位板前的振幅，下标b表示向回传播，并修正第二块相位板的值，

表示修正后的相位板的相位，且在下一次迭代过程中使用。

6)上述光波经过第二块相位板的调制后，再逆衍射到第一块相位板前，并修正第一块相位板的值：

其中，

表示逆衍射到第一块相位板前的相位，

表示修正后的相位板的相位，且在下一次迭代过程中使用。

3.步骤2)-6)为一次基础迭代过程，完成一次迭代后分别用k+1、n+1替换迭代过程中的k和n进行下一次迭代，其中n在1到N之间循环，N为待隐藏二维码数量，本实施例中具体选择为2。

为了明确迭代的终止条件，根据当前次相位板得到当前次恢复二维码后，计算与原二维码图像的相关系数Co(g_{r_1},g₁)：

cov(g_{r_1},g₁)为g_{r_1}与g₁之间的互协方差，σ代表标准差，Co(g_{r_n},g_n)值越大，相关性越高)；设定算法终止阈值，Co(g_{r_n},g_n)的值大于所设阈值时，即停止迭代，此时所得到的更新过k次的POM₁和POM₂相位

和

即可看作在误差允许范围内的目标相位。

一般考量光学信息隐藏方案的主要指标为：加密信息容量、安全性、不可感知性、鲁棒性等。对于本实施例提供的方法而言：

1.加密信息容量：对两块相位板进行测试，经阈值化处理后可以恢复三张二维码图片，而二维码图片可以容纳更多的待隐藏信息，大大提升了加密信息的容量。

2.安全性：本实施例提供的方法的安全性由以下几点综合保证，图像的完全恢复需要正确的入射光波长、衍射距离和旋转角度，其中任意一点偏差较大都会输出类似于噪声的图片，致使图像的恢复失败。总而言之，该系统的安全性很高，需要各个精确的参数保证图像的恢复。

3.不可感知性:经计算机模拟计算得到的纯相位板，人眼在正常情况下无法识别到里面隐藏的信息。

4.鲁棒性：本实施例提供的方法抗裁剪性较好，实验测试过遮挡第一块相位板的1/9任意面积，输出结果依旧可以清晰识别，抗裁剪性较好。本方案抗台阶化很好，在实际制作相位板的过程中，由于制造工艺，由计算机模拟的相位掩膜会被一定程度的台阶化，本实施例做了有关实验，经测试得八个台阶或四个台阶化效果依旧很好，输出的二维码可以正确扫描。

实施例2

如图2所示，本实施例提供了一种基于二维码的光学信息隐藏系统，采用如实施例1所述的光学信息隐藏方法，由经过实施例1设计得到的相位板组成，由一个短的自由传播距离隔开，且每层可以相对于光轴旋转。当旋转相位调制层至特定的角度，光波通过各相位调制层传播时，方位复用系统不同的方位角状态产生不同的二维码。

所述系统包括：

多个相位板1，所述相位板1排列于光轴上，相邻两所述相位板1之间间隔固定距离，且所述相位板相对于光轴的旋转角可调；

光波发生装置2，置于光路起始点，用于使光波穿过多个所述相位板1，对多个所述相位板1进行设计。

在进行两块待隐藏二维码的恢复时，如图3中将相位板A和相位板B与光路垂直放置，其间隔距离在算法设计过程中得到，且使其处于初始角度，用垂直于相位板的平行光照射，入射光的波长也在算法中得以确定，入射光依次经过两块相位板被调制后到达输出平面，在输出平面就可以接收到第一块二维码。旋转两块相位板至另一设定好的角度，再次用入射光照射，在输出平面可以接收到第二块二维码。两块相位板均需要经过特定的算法进行设计，直接改变两块相位板的方位角状态，进行组合就可以提取不同的二维码图片，不需要调换次序且无需更换相位板。

对得到的二维码经过对比度增强处理后可以更为清晰地扫描，即可得到二维码隐藏的高清图片。

本说明书中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。

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 (7)

1.一种基于二维码的光学信息隐藏方法，其特征在于，所述方法包括：

根据待隐藏信息生成待隐藏二维码，并设定光学系统参数；所述光学系统参数包括入射光波长、随机相位板之间的间距、随机相位板与输出像面的间距；

结合所述待隐藏二维码与所述光学系统参数，通过相位恢复迭代算法对多个随机相位板进行设计得到多个设计好的相位板，将所述待隐藏二维码隐藏至所述多个设计好的相位板中，完成对所述待隐藏信息的隐藏；

所述通过相位恢复迭代算法对多个随机相位板进行设计得到多个设计好的相位板包括：

依次排列多个随机相位板，根据所述待隐藏二维码对多个所述随机相位板的相位进行多次约束，得到多个设计好的相位板；

所述根据所述待隐藏二维码对多个所述随机相位板的相位进行多次约束包括：

使入射光依次经过多个所述随机相位板后衍射到输出像面，得到第一入射光；

使用所述待隐藏二维码的振幅替换所述第一入射光的振幅，得到第二入射光；

将所述第二入射光由所述输出像面逆衍射，反向经过多个所述随机相位板，对多个所述随机相位板的相位进行修正，得到多个当前次相位板；

判断是否达到终止条件，若是，则将多个所述当前次相位板作为设计好的相位板，否则，将多个所述当前次相位板作为新的随机相位板，返回“使入射光依次经过多个所述随机相位板后衍射到输出像面，得到第一入射光”的步骤；

所述根据待隐藏二维码对所述多个随机相位板的相位进行多次约束还包括：若所述待隐藏二维码为多个，则使用一待隐藏二维码对所述多个随机相位板的相位进行修正后，将所有所述随机相位板皆旋转相同的角度后，使用另一未进行约束的待隐藏二维码再次对所述多个随机相位板的相位进行修正，直至所有所述待隐藏二维码皆参与过约束过程，得到多个所述当前次相位板。

2.根据权利要求1所述的一种基于二维码的光学信息隐藏方法，其特征在于，所述对多个所述随机相位板的相位进行修正包括：

以所述入射光经过所述多个随机相位板的顺序依次将所述多个随机相位板命名为第一随机相位板至第N随机相位板，所述N为正整数；

根据所述第二入射光的振幅与所述第一入射光经过所述第N随机相位板前的振幅对所述第N随机相位板的相位进行修正；

根据所述第N随机相位板的相位与所述第一入射光经过第N-1随机相位板前的振幅对所述第N-1随机相位板的相位进行修正，直至修正所有的所述随机相位板。

3.根据权利要求1所述的一种基于二维码的光学信息隐藏方法，其特征在于，所述终止条件包括：

根据当前次相位板得到当前次恢复二维码；

计算所述当前次恢复二维码与所述待隐藏二维码的相关系数，若所述相关系数在预设阈值范围内，则视为满足所述终止条件，否则为不满足所述终止条件。

4.根据权利要求3所述的一种基于二维码的光学信息隐藏方法，其特征在于，所述计算所述当前次恢复二维码与所述待隐藏二维码的相关系数包括：

其中，g_{r_1}表示当前次恢复二维码，g₁表示待隐藏二维码，

代表波长为λ，传播距离为z₁时的傅里叶变换，

代表波长为λ，传播距离为z₂时的傅里叶变换，

和

表示修正后的相位板的相位，cov(g_{r_1},g₁)为g_{r_1}与g₁之间的互协方差，

和

代表标准差，Co(g_{r_1},g₁)为相关系数。

5.根据权利要求1所述的一种基于二维码的光学信息隐藏方法，其特征在于，在确定待隐藏二维码，设定光学系统参数之后，还包括使用随机数生成器生成随机分布函数作为随机相位板的相位初始值。

6.根据权利要求1所述的一种基于二维码的光学信息隐藏方法，其特征在于，得到设计好的相位板后，使用所述设计好的相位板对所述待隐藏二维码进行恢复，使入射光依次通过所述设计好的相位板得到恢复出的二维码图像，得到恢复出的二维码图像后，对所述恢复出的二维码图像进行阈值化处理，得到更加清晰的二维码图像。

7.一种基于二维码的光学信息隐藏系统，其特征在于，所述系统采用如权利要求1-6任一项所述的光学信息隐藏方法，所述系统包括：

多个相位板，所述相位板排列于光轴上，相邻两所述相位板之间间隔固定距离，且所述相位板相对于光轴的旋转角可调；

光波发生装置，置于光路起始点，用于使光波穿过多个所述相位板，对多个所述相位板进行设计。

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