CN113259098A - 一种视觉密码和双随机相位加解密方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种视觉密码和双随机相位加解密方法及系统，采用指纹作为密钥，实现系统指纹在线认证解密，结合视觉密码学与4f系统，通过技术结合实现优势互补，大大的提高了安全性与隐蔽性。秘密信息提取过程首先需要进行指纹认证，并且也要同时知道置乱方法和衰减因子等密钥，才能将秘密信息完整正确地提取出来，具有极高的安全性。

Description

一种视觉密码和双随机相位加解密方法及系统

技术领域

本发明涉及信息加密技术领域，特别是涉及一种视觉密码和双随机相位加解密方法及系统。

背景技术

随着互联网的迅速发展，信息的安全性成为越来越重要的问题，人们对信息安全传输的需要日益增强，光学信息安全的研究近十年来越来越受到重视。光学加密系统广泛应用于信息加密、信息认证和信息隐藏等领域。光学安全加密中，信息是以光学方式而不是数字方式处理的，因此其具有多维度、高并行性和处理速度快等优点。

双随机相位加密(Double Random Phase Encoding,DRPE)系统是1995年提出的使用光学加密系统进行信息加密的首次尝试。DRPE可以在4f光学透镜系统的图像域和傅里叶变换域中使用，也可在分数傅里叶域、菲涅耳域中使用。尽管取得了很多成就，但DRPE技术仍然面临着一些困难和挑战，如DRPE系统的安全强度不够高。

在过往，学术界积极研究光学加密系统存在的安全漏洞，并提出了攻击算法来破解该光学加密系统，然后又针对该攻击方案所存在的弱点改进其光学加密系统。改进的光学加密系统可能会被新的攻击方法进一步破解。这是安全加密系统发展过程中新的破解方法和新的反破解加密安全系统之间的反复循环进步过程。对于DRPE系统，已经存在很多攻击方法破解该加密系统，以往常用的攻击方法有已知明文攻击、选择明文攻击、选择密文攻击和唯密文攻击(Ciphertext OnlyAttack,COA)等攻击方法。在这些攻击方法中，唯密文攻击COA是对DRPE系统最致命的破解方法，因为唯密文攻击COA可以单独从密文信息中非法地恢复出明文，因此DRPE系统存在严峻的安全漏洞问题。

因此，本领域亟需一种安全性高的加解密方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种视觉密码和双随机相位加解密方法及系统，采用指纹作为密钥，实现系统指纹在线认证解密，结合视觉密码学与4f系统，通过技术结合实现优势互补，大大的提高了安全性与隐蔽性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种视觉密码和双随机相位加密方法，所述方法包括：

利用视觉编码加密信息，得到视觉加密信息；所述视觉加密信息包括：第一视觉密钥和第二视觉密钥；

获取指纹信息；

利用双随机相位系统结合所述指纹信息加密所述视觉加密信息，得到密文。

可选的，所述利用双随机相位系统结合所述指纹信息加密所述视觉加密信息，得到密文之前，还包括：

将所述第一视觉密钥视为振幅，所述第二视觉密钥视为相位，利用复振幅调制公式进行调制，得到复振幅调制信息；所述复振幅调制公式为：VK3＝abs(VK1)·exp(i·VK2)，其中，VK3为复振幅调制信息，VK1为第一视觉密钥，VK2为第二视觉密钥，i表示虚数。

可选的，所述利用双随机相位系统结合所述指纹信息加密所述视觉加密信息，得到密文，具体包括：

将所述复振幅调制信息与第一随机相位板一同输入双随机相位系统，得到第一调制信息；

利用傅里叶透镜，将所述第一调制信息转化到频域，得到第二调制信息；

将所述第二调制信息与所述指纹信息结合，得到第三调制信息；

将所述第三调制信息与第二随机相位板结合，得到第四调制信息；

利用另一个傅里叶透镜处理所述第四调制信息，得到密文；

在所述密文中嵌入衰减因子，得到携带密文的宿主。

可选的，所述在所述密文中嵌入衰减因子，得到携带密文的宿主，具体包括：

将所述密文衰减处理后隐藏在宿主中，衰减因子α＝0.09。

一种视觉密码和双随机相位解密方法，所述方法包括：

进行指纹在线认证，得到在线认证结果；

当所述在线认证结果为指纹与加密时录入的指纹信息完全相同时，利用双随机相位系统和视觉解码方法解密密文。

可选的，所述进行指纹在线认证之前，还包括：

利用秘密提取公式对接受到的宿主进行秘密信息提取，得到提取信息；所述秘密提取公式为：T＝(H-I)·α^-1，其中T为提取信息，H为携带密文的宿主，I为宿主，α为衰减因子。

可选的，所述利用双随机相位系统和视觉解码方法解密密文，具体包括：

利用解密公式得到复振幅信息；所述解密公式为：

其中，Q(x,y)为复振幅信息，T为提取信息，(u,v)表示频域坐标，(x,y)表示空域坐标，n(x,y)和b(u,v)分别表示两块随机相位板；

获取所述复振幅信息的振幅和相位，得到秘密信息。

一种视觉密码和双随机相位加解密方法，所述方法包括：

加密方利用视觉编码加密信息，得到视觉加密信息；

获取指纹信息；

利用双随机相位系统结合所述指纹信息加密所述视觉加密信息，得到密文；

解密方进行指纹在线认证，得到在线认证结果；

当所述在线认证结果为指纹与加密时录入的指纹信息完全相同时，利用双随机相位系统和视觉解码方法解密密文。

一种视觉密码和双随机相位加密系统，所述系统包括：

视觉编码单元，用于利用视觉编码加密信息，得到视觉加密信息；所述视觉加密信息包括：第一视觉密钥和第二视觉密钥；

指纹信息获取单元，用于获取指纹信息；

双随机相位系统加密单元，用于利用双随机相位系统结合所述指纹信息加密所述视觉加密信息，得到密文。

一种视觉密码和双随机相位解密系统，所述系统包括：

指纹认证单元，用于进行指纹在线认证，得到在线认证结果；

密文解密单元，用于当所述在线认证结果为指纹与加密时录入的指纹信息完全相同时，利用双随机相位系统和视觉解码方法解密密文。

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：

本发明实施例提供的加密方案采用指纹作为密钥，实现系统指纹在线认证解密，结合视觉密码学与4f系统，通过技术结合实现优势互补，大大的提高了安全性与隐蔽性。秘密信息提取过程首先需要进行指纹认证，才能将秘密信息完整正确地提取出来，具有极高的安全性。

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为本发明实施例一提供的视觉密码和双随机相位加密方法的流程图。

图2为本发明实施例一提供的视觉密码和双随机相位加密系统的框图。

图3为本发明实施例二提供的视觉密码和双随机相位解密方法的流程图。

图4为本发明实施例二提供的视觉密码和双随机相位解密系统的框图。

图5为本发明实施例三提供的视觉密码和双随机相位加解密方法的流程图。

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视觉密码和双随机相位加解密方法及系统，采用指纹作为密钥，实现系统指纹在线认证解密，结合视觉密码学与4f系统，通过技术结合实现优势互补，大大的提高了安全性与隐蔽性。

本发明将生物特征指纹作为密钥用于光学信息加密法。指纹对个体人来说是唯一的，具有极高的安全性，将指纹应用在光学加密系统的安全处理上，能有效地存储、传递加密信息，使得系统具有更高的安全性。

视觉密码学是利用人类视觉来解密的一种信息技术。通过像素扩展产生多个视觉密钥，直接叠加密文图像即可解密信息。视觉密码学生成的视觉密钥不携带原始信息，解密无需密码学知识和计算，具备操作便捷性。本发明提出将通过视觉密码(VisualCryptography)方案产生的两个视觉密钥(Visual Key)VK1和VK2分别视为振幅和相位作为复振幅输入VK3，继而将VK3经过双随机相位系统进一步加密。双随机相位系统中视觉密码方案的优势就在于即使攻击者攻破4f系统，得到的也只是复振幅的噪声图像，无法获得秘密信息。

双随机相位加密技术作为光学加密领域的开山之作，首次将光学与编码结合，被广泛熟知，整个加密系统由一个4f系统和分别位于输入平面和傅里叶频谱面的相位掩膜构成。本发明提出将指纹作为密钥置于位于傅里叶频谱面的相位掩膜处，利用指纹特征对秘密信息进行加密,确保了密钥的安全性,并且指纹的获取无须传送，而是通过指纹采集系统的在线认证，只有具有授权的用户方能正确获取密钥，实现信息解密。加密时将VK3输入含有指纹密钥的双随机相位加密系统，得到密文图像ψ(x,y)，但是乱码的密文图像可能会引起窃听者对秘密通信的怀疑，所以将密文隐藏在宿主图像中可以有效地解决窃听者的怀疑，而且解决了密文传输问题。解密时将携带密文的宿主图像输入预置系统，用户使用指纹采集系统进行在线认证，即可得到解密后的明文图像。

本发明提出的加密方案采用指纹作为密钥，实现系统指纹在线认证解密，结合视觉密码学与4f系统，通过技术结合实现优势互补，大大的提高了安全性与隐蔽性。秘密信息提取过程首先需要进行指纹认证，并且也要同时知道置乱方法和衰减因子等密钥，才能将秘密信息完整正确地提取出来，具有极高的安全性。因此，将生物特征信息和光学加密系统结合在光学信息安全领域中具有深远的意义。

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。

实施例一：

如图1所示，本实施例提供了一种视觉密码和双随机相位加密方法，该方法包括：

S1、利用视觉编码加密信息，得到视觉加密信息；所述视觉加密信息包括：第一视觉密钥和第二视觉密钥；

将想要隐藏的信息通过视觉密码(Visual Cryptography)的2*2编码方案编码成两块表面置乱的视觉密钥(Visual Key)VK1和VK2，为了表述方便，将VK1记为第一视觉密钥，将VK2记为第二视觉密钥。视觉密码学是利用人类视觉来解密的一种信息技术。通过像素扩展产生多个视觉密钥，直接叠加密文图像即可解密信息。视觉密码学生成的视觉密钥不携带原始信息，解密无需密码学知识和计算，操作便捷。

然后，将第一视觉密钥视为振幅，第二视觉密钥视为相位，利用复振幅调制公式进行调制，得到复振幅调制信息；复振幅调制公式为：VK3＝abs(VK1)·exp(i·VK2)，其中，VK3为复振幅调制信息，VK1为第一视觉密钥，VK2为第二视觉密钥，i表示虚数。

S2、获取指纹信息；

使用指纹采集器录入用户的指纹信息。指纹对个体人来说是唯一的，具有极高的安全性，将指纹应用在光学加密系统的安全处理上，能有效地存储、传递加密信息，使得系统具有更高的安全性。本发明实施例将指纹作为密钥置于位于傅里叶频谱面的相位掩膜处，利用指纹特征对秘密信息进行加密，确保了密钥的安全性，并且指纹的获取无须传送，而是通过指纹采集系统的在线认证，只有具有授权的用户方能正确获取密钥。

S3、利用双随机相位系统结合所述指纹信息加密所述视觉加密信息，得到密文。

将VK3输入双随机相位系统进一步加密，具体编码过程如下：

S31、将所述复振幅调制信息与第一随机相位板一同输入双随机相位系统，得到第一调制信息；

在第一个透镜焦距处输入图像VK3和随机相位板exp[i2πn(x,y)]，得到VK3exp[i2πn(x,y)]，其中(x,y)表示空域坐标，n(x,y)表示第一块随机相位板。

S32、利用傅里叶透镜，将所述第一调制信息转化到频域，得到第二调制信息；

使第一调制信息经过第一个傅里叶透镜，到达后焦面(转化到频域)，用公式表示为：

S33、将所述第二调制信息与所述指纹信息结合，得到第三调制信息；

用公式表示为：

其中imag为采集的指纹信息。

S34、将所述第三调制信息与第二随机相位板结合，得到第四调制信息；

使第三调制信息经过另一个随机相位板(频域)，得到

其中b(u,v)表示第二块随机相位板。

S35、利用另一个傅里叶透镜处理所述第四调制信息，得到密文；

使第四调制信息再经过一个傅里叶透镜，用公式表示为：

由此得到密文，记为ψ(x,y)。

S36、在所述密文中嵌入衰减因子，得到携带密文的宿主。

在所述密文中嵌入衰减因子α＝0.09，将密文衰减处理后隐藏在宿主图像中进行传输，用公式表示为H＝αψ(x,y)+I，H表示携带密文的宿主图像，I表示宿主图像。

本实施例在加密时将VK3输入含有指纹密钥的双随机相位加密系统，得到密文图像，但是乱码的密文图像可能会引起窃听者对秘密通信的怀疑，所以将密文隐藏在宿主图像中可以有效地解决窃听者的怀疑，而且解决了密文传输问题。

本实施例还提供了一种视觉密码和双随机相位加密系统，如图2所示，该系统包括：

视觉编码单元M1，用于利用视觉编码加密信息，得到视觉加密信息；所述视觉加密信息包括：第一视觉密钥和第二视觉密钥；

指纹信息获取单元M2，用于获取指纹信息；

双随机相位系统加密单元M3，用于利用双随机相位系统结合所述指纹信息加密所述视觉加密信息，得到密文。

本发明实施例提供的加密方案采用指纹作为密钥，实现系统指纹在线认证解密，结合视觉密码学与4f系统，通过技术结合实现优势互补，大大的提高了安全性与隐蔽性。

实施例二：

如图3所示，本实施例提供了一种视觉密码和双随机相位解密方法，该方法包括：

A1、进行指纹在线认证，得到在线认证结果；

在进行指纹在线认证之前，还需要对接收到的带有隐藏信息的宿主图像H进行秘密信息提取：

利用秘密提取公式对接受到的宿主进行秘密信息提取，得到提取信息；秘密提取公式为：T＝(H-I)·α^-1，其中T为提取信息，H为携带密文的宿主，I为宿主，α为衰减因子。

A2、当所述在线认证结果为指纹与加密时录入的指纹信息完全相同时，利用双随机相位系统和视觉解码方法解密密文。

用户通过指纹采集系统进行在线认证，当解密所录入的指纹与加密所录入的指纹为同一手指指纹时，得到正确的解密密钥，进而得到复振幅图像Q(x,y)；

利用解密公式得到复振幅信息；所述解密公式为：

其中，Q(x,y)为复振幅信息，T为提取信息，(u,v)表示频域坐标，(x,y)表示空域坐标，n(x,y)和b(u,v)分别表示两块随机相位板；

获取所述复振幅信息的振幅和相位，得到秘密信息；

取复振幅图像Q(x,y)的振幅与相位，即可得到秘密信息S，S＝abs[Q(x,y)]+angle[Q(x,y)]。

在解密的过程中，秘密信息提取过程首先需要进行指纹认证，同时由于实施例一中的视觉编码过程包含表面置乱过程，其是通过表面置乱得到的两个视觉密钥，所以解码时也需要知道置乱方法和衰减因子等密钥，才能将秘密信息完整正确地提取出来。

此外，本实施例还提供了一种视觉密码和双随机相位解密系统，如图4所示，该系统包括：

指纹认证单元L1，用于进行指纹在线认证，得到在线认证结果；

密文解密单元L2，用于当所述在线认证结果为指纹与加密时录入的指纹信息完全相同时，利用双随机相位系统和视觉解码方法解密密文。

本发明实施例提供的秘密信息提取过程首先需要进行指纹认证，并且也要同时知道置乱方法和衰减因子等密钥，才能将秘密信息完整正确地提取出来，具有极高的安全性。

实施例三：

如图5所示，本实施例提供了一种视觉密码和双随机相位加解密方法，该方法包括：

B1、加密方利用视觉编码加密信息，得到视觉加密信息；

首先秘密信息通过视觉密码编码方案分成VK1和VK2两个独立的视觉密钥。

B2、获取指纹信息；利用指纹采集器录入指纹信息。

B3、利用双随机相位系统结合所述指纹信息加密所述视觉加密信息，得到密文；

将VK1视为振幅、VK2视为相位，调制后得到VK3作为复振幅输入；接着激光发出的相干光穿过VK3和该系统第一个随机相位板(Phase mask1)，然后再穿过双随机相位加密系统的第一个透镜(FourierLen1)，便可实现傅里叶变换，变换结果位于傅里叶平面上；紧接着经过双随机相位加密系统的第二个透镜(FourierLen2)，这个过程为傅里叶逆变换；经过第二个透镜后，先后与指纹密钥以及第二个随机相位板(Phase mask2)进行调制从而得到密文ψ(x,y)；最后再将密文衰减处理后隐藏在宿主图像I中进行传输。

B4、解密方进行指纹在线认证，得到在线认证结果；

B5、当所述在线认证结果为指纹与加密时录入的指纹信息完全相同时，利用双随机相位系统和视觉解码方法解密密文。

带有隐藏信息的宿主图像先经过傅里叶透镜2(FourierLen2)，接着进行指纹认证，再与第二块相位板的复共轭相乘，将密文图像与解密密钥输入双随机相位加密系统，对密文图像进行傅里叶变换后结合指纹解密密钥以及第二块随机相位板的复共轭进行傅里叶逆变换，再与第一块随机相位板的复共轭相乘，进而得到复振幅图像Q(x,y)；最后取复振幅图像Q(x,y)的振幅IDk1与相位IDk2并相加，即可得到秘密信息。若使用错误的指纹信息，则其解秘结果是乱码的图像，无法从中提取秘密信息。

本发明实施例提供的加密方案采用指纹作为密钥，实现系统指纹在线认证解密，结合视觉密码学与4f系统，通过技术结合实现优势互补，大大的提高了安全性与隐蔽性。秘密信息提取过程首先需要进行指纹认证，并且也要同时知道置乱方法和衰减因子等密钥，才能将秘密信息完整正确地提取出来，具有极高的安全性。

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 (10)

1.一种视觉密码和双随机相位加密方法，其特征在于，所述方法包括：

利用视觉编码加密信息，得到视觉加密信息；所述视觉加密信息包括：第一视觉密钥和第二视觉密钥；

获取指纹信息；

利用双随机相位系统结合所述指纹信息加密所述视觉加密信息，得到密文。

2.根据权利要求1所述的视觉密码和双随机相位加密方法，其特征在于，所述利用双随机相位系统结合所述指纹信息加密所述视觉加密信息，得到密文之前，还包括：

将所述第一视觉密钥视为振幅，所述第二视觉密钥视为相位，利用复振幅调制公式进行调制，得到复振幅调制信息；所述复振幅调制公式为：VK3＝abs(VK1)·exp(i·VK2)，其中，VK3为复振幅调制信息，VK1为第一视觉密钥，VK2为第二视觉密钥，i表示虚数。

3.根据权利要求2所述的视觉密码和双随机相位加密方法，其特征在于，所述利用双随机相位系统结合所述指纹信息加密所述视觉加密信息，得到密文，具体包括：

将所述复振幅调制信息与第一随机相位板一同输入双随机相位系统，得到第一调制信息；

利用傅里叶透镜，将所述第一调制信息转化到频域，得到第二调制信息；

将所述第二调制信息与所述指纹信息结合，得到第三调制信息；

将所述第三调制信息与第二随机相位板结合，得到第四调制信息；

利用另一个傅里叶透镜处理所述第四调制信息，得到密文；

在所述密文中嵌入衰减因子，得到携带密文的宿主。

4.根据权利要求3所述的视觉密码和双随机相位加密方法，其特征在于，所述在所述密文中嵌入衰减因子，得到携带密文的宿主，具体包括：

将所述密文衰减处理后隐藏在宿主中，衰减因子α＝0.09。

5.一种视觉密码和双随机相位解密方法，其特征在于，所述方法包括：

进行指纹在线认证，得到在线认证结果；

当所述在线认证结果为指纹与加密时录入的指纹信息完全相同时，利用双随机相位系统和视觉解码方法解密密文。

6.根据权利要求5所述的视觉密码和双随机相位解密方法，其特征在于，所述进行指纹在线认证之前，还包括：

利用秘密提取公式对接受到的宿主进行秘密信息提取，得到提取信息；所述秘密提取公式为：T＝(H-I)·α^-1，其中T为提取信息，H为携带密文的宿主，I为宿主，α为衰减因子。

7.根据权利要求6所述的视觉密码和双随机相位解密方法，其特征在于，所述利用双随机相位系统和视觉解码方法解密密文，具体包括：

利用解密公式得到复振幅信息；所述解密公式为：

其中，Q(x,y)为复振幅信息，T为提取信息，(u,v)表示频域坐标，(x,y)表示空域坐标，n(x,y)和b(u,v)分别表示两块随机相位板；

获取所述复振幅信息的振幅和相位，得到秘密信息。

8.一种视觉密码和双随机相位加解密方法，其特征在于，所述方法包括：

加密方利用视觉编码加密信息，得到视觉加密信息；

获取指纹信息；

利用双随机相位系统结合所述指纹信息加密所述视觉加密信息，得到密文；

解密方进行指纹在线认证，得到在线认证结果；

当所述在线认证结果为指纹与加密时录入的指纹信息完全相同时，利用双随机相位系统和视觉解码方法解密密文。

9.一种视觉密码和双随机相位加密系统，其特征在于，所述系统包括：

视觉编码单元，用于利用视觉编码加密信息，得到视觉加密信息；所述视觉加密信息包括：第一视觉密钥和第二视觉密钥；

指纹信息获取单元，用于获取指纹信息；

双随机相位系统加密单元，用于利用双随机相位系统结合所述指纹信息加密所述视觉加密信息，得到密文。

10.一种视觉密码和双随机相位解密系统，其特征在于，所述系统包括：

指纹认证单元，用于进行指纹在线认证，得到在线认证结果；

密文解密单元，用于当所述在线认证结果为指纹与加密时录入的指纹信息完全相同时，利用双随机相位系统和视觉解码方法解密密文。

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