CN113485010B - 一种基于光学透镜的图像加密物理光学系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光学透镜的图像加密物理光学系统及方法，该系统包括：沿光轴方向依次设置的转换透镜L₁和N组过滤加密组件；每一组过滤加密组件沿光轴方向依次包括：光学滤波器和透镜；待加密的图像经转换透镜L₁聚焦入射到N组过滤加密组件，经每一组过滤加密组件进行层层过滤和传播，输出综合频谱图像，实现图像加密。本系统最终输出的加密图像信息中，周围环境信息和人的具体样貌信息均被过滤掉，最后仅保留人的轮廓，从该轮廓中获得人的动作、姿态等信息，并进行行为判断、活动捕捉，判断该区域内的人是否存在异常。从而实现了从图像采集源头进行数据信息过滤与加密，且该过程不可逆，从根本上解决了隐私保护问题。

Description

一种基于光学透镜的图像加密物理光学系统及方法

技术领域

本发明涉及计算机及光学技术领域，特别涉及一种基于光学透镜的图像加密物理光学系统及方法。

背景技术

在互联网时代，物联网遍布生活的方方面面，使得人们可以实时进行监控，实时获取信息。摄像头的广泛使用使得人人都可以实时且有效的获取某时间某场景下的现场状况，以便根据现场情况做出相应的举措。公共场所下的视频监控为社会安全提供了强有力的保障，但将监控应用在某些私人领域，隐私保护技术、隐私泄露等方面的安全问题隐患便成了亟需注意且需要得到解决的问题。

现有的视频采集技术均是首先通过摄像头进行视频或图像采集，然后通过图像处理、图像加密等手段将图片重点信息抹去从而达到隐私保护的效果。但这种方式，本质上摄像头仍然采集了所有信息，从图像信息获取到图像信息传递给数据处理端的这一过程上仍然存在着隐私泄露的安全隐患。

因此，在现有图像加密系统的基础上，如何提供一种基于光学透镜的图像加密物理光学系统及方法，以解决从图像信息采集到图像信息处理这一过程中存在的隐私泄露的问题，成为本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出了一种至少解决上述部分技术问题的基于光学透镜的图像加密物理光学系统及方法，该系统可从图像信息采集源头进行数据过滤与加密，从根本上解决隐私泄露问题。

本发明实施例提供一种基于光学透镜的图像加密物理光学系统，包括：沿光轴方向依次设置的转换透镜L₁和N组过滤加密组件；每一组过滤加密组件沿光轴方向依次包括：光学滤波器和透镜；

待加密的图像经所述转换透镜L₁聚焦入射到N组过滤加密组件，经每一组过滤加密组件进行层层过滤和传播，输出综合频谱图像，实现图像加密。

进一步地，所有每一组过滤加密组件中的光学滤波器和透镜等间隔距离设置；所述距离与所述透镜的焦距相同。

进一步地，待加密的图像经所述转换透镜L₁聚焦，为进行一次傅里叶变换，输出光信号，变换公式如下：

A为由转换透镜L₁引起的相位延迟，A＝exp[-jknD₀]，k为整数常数，n为转换透镜L₁折射率，D₀为转换透镜L₁厚度，j为傅里叶变换的复数项；

f为转换透镜L₁的焦距，x₁为转换透镜L₁前焦平面的x轴坐标，y₁为转换透镜L₁前焦平面的y轴坐标；

f_x为x轴方向上的空间频率，f_y为y轴方向上的空间频率，C为比例常数，x_f为转换透镜L₁后焦平面的x轴坐标，y_f为转换透镜L₁后焦平面的y轴坐标，λ为光的波长。

进一步地，所述光信号经过第N组过滤加密组件中的透镜，为进行空间坐标反演的傅里叶变换，输出综合频谱图像，变换公式如下：

(2)式中，T(f_x，f_y)为经过上层过滤加密组件中光学滤波器和透镜的傅里叶变换后的频谱函数，

A′为第N组过滤加密组件中透镜引起的相位延迟，A′＝exp[-jkn′D₀′]，k为整数常数，n′为第N组过滤加密组件中透镜折射率，D₀′为第N组过滤加密组件中透镜厚度，j为傅里叶变换的复数项；

C为比例常数，f′为第N组过滤加密组件中透镜的焦距，x_f′为第N组过滤加密组件中透镜后焦平面的x轴坐标，y_f′为第N组过滤加密组件中透镜后焦平面的y轴坐标，λ为光的波长，x为第N组过滤加密组件中透镜前焦平面的x轴坐标，y为第N组过滤加密组件中透镜前焦平面的y轴坐标；

x₃为第N组过滤加密组件中透镜的输出面x轴坐标，y₃为第N组过滤加密组件中透镜的输出面y轴坐标，f_x为x轴方向上的空间频率，f_y为y轴方向上的空间频率。

本实施例还提供一种基于光学透镜的图像加密方法，应用于上述基于光学透镜的图像加密物理光学系统，包括如下步骤：

获取待加密的图像，将所述图像传输至转换透镜L₁，所述转换透镜L₁接收所述图像，并将所述图像进行物像转换，生成成像光信号；

将所述成像光信号传递至第一组过滤加密组件S₁，所述第一组过滤加密组件S₁中的光学滤波器P₂接收所述成像光信号，进行第一次光信号分频，生成第一次滤波后的光信号；所述第一组过滤加密组件S₁中的透镜L₂将所述第一次滤波后的光信号进行信号传播；

将所述滤波后的光信号传递给后续N组过滤加密组件，所述后续N组过滤加密组件分别对光信号进行层层过滤和传播；

直至第N组过滤加密组件S_n输出综合频谱图像，实现图像加密。

进一步地，所述第N组过滤加密组件S_n中的透镜L_n+1对所述层层过滤和传播后的光信号进行合成，输出综合频谱图像。

本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：

本发明实施例提供的一种基于光学透镜的图像加密物理光学系统，可将光信号从摄像头端经过透镜的层层传递和滤波器的层层过滤，分别从图像的全局到人所在图像局部的信息进行层层过滤和传递，最终输出期望得到的加密图像信息，例如只包含人的动作特征信息，并将该加密图像信息传递给摄像头图像处理芯片。最终输出的加密图像信息中，周围环境信息和人的具体样貌信息均被过滤掉，最后仅保留人的轮廓，从该轮廓中获得人的动作、姿态等信息，并进行行为判断、活动捕捉，判断该区域内的人是否存在异常。从而实现从图像采集源头进行数据信息过滤与加密，且该过程不可逆，从根本上解决了隐私保护问题。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种基于光学透镜的图像加密物理光学系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于光学透镜的图像加密物理光学系统的实际应用场景结构示意图。

附图中：L₁-转换透镜；S₁-第一组过滤加密组件；P₂-第一组过滤加密组件中的光学滤波器；L₂-第一组过滤加密组件中的透镜；S₂-第二组过滤加密组件；P₃-第二组过滤加密组件中的光学滤波器；L₃-第二组过滤加密组件中的透镜；S_n-第N组过滤加密组件；P_n+1-第N组过滤加密组件中的光学滤波器；L_n+1-第N组过滤加密组件中的透镜。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明实施例提供一种基于光学透镜的图像加密物理光学系统，参照图1所示，包括：分别沿光轴方向依次设置的转换透镜L₁和N组过滤加密组件。

其中，每一组过滤加密组件均包括：沿光轴方向依次设置的光学滤波器和透镜。待加密的图像经转换透镜L₁聚焦入射到N组过滤加密组件，经每一组过滤加密组件进行层层过滤和传播，输出综合频谱图像，实现图像加密。

具体地，将第一组过滤加密组件中的光学滤波器P₂和透镜L₂记为S₁，将第二组过滤加密组件中的光学滤波器和透镜记为S₂，则可得到本系统中的最后一组过滤加密组件为S_n。

本实施例中，采用将物理器件滤波器和透镜相结合的方式，利用透镜成像的傅里叶变换规律和光波过滤特性，实现有效信息的提取，过滤掉图像中包含的个人隐私场景信息和人物特征信息，仅保留例如动作、姿态、姿势等有用信息，完成信息过滤，实现图像加密。本系统在图像生成的源头实现数据的过滤和加密，且生成的加密后的数据过程不可逆，从而真正有效实现了数据加密。

具体地，所有每一组过滤加密组件中的光学滤波器和透镜等间隔距离设置，且该距离与透镜的焦距相同。透镜采用现有摄像头惯用透镜，可以根据使用场景大小调节合适的焦距。

具体地，转换透镜L₁为对待加密的图像进行物像转换，完成成像光信号采集，并将光信号向后层过滤加密组件进行传递。每组过滤加密组件中的光学滤波器，对从前方传递过来的光信号进行过滤，生成滤波后的光信号；每组过滤加密组件中的透镜，将滤波后的光信号进行光信号传播。

由于光学系统中，物面上的一个点光源通过系统后在像面上生成一个弥散的像点分布，而且在等晕区内这个分布不随点光源的位置发生变化。所以可以将图像加密物理光学系统的整个物面划分为若干个等晕区，把每个等晕区当做线性空间不变系统处理。所以整个系统不同层次之间透镜的信号传递与信号处理通过透镜成像前后光线互为傅里叶变换的特点进行光信号过滤与处理。

进一步地，待加密的图像经所述转换透镜L₁聚焦，为进行一次傅里叶变换，输出光信号，变换公式为：

(1)式中，

A为由转换透镜L₁引起的相位延迟，A＝exp[-jknD₀]，k为整数常数，n为转换透镜L₁折射率，D₀为转换透镜L₁厚度，j为傅里叶变换的复数项；

f为转换透镜L₁的焦距，x₁为转换透镜L₁前焦平面的x轴坐标，y₁为转换透镜L₁前焦平面的y轴坐标；

f_x为x轴方向上的空间频率，f_y为y轴方向上的空间频率，C为比例常数，x_f为转换透镜L₁后焦平面的x轴坐标，y_f为转换透镜L₁后焦平面的y轴坐标，λ为光的波长。

进一步地，从待加密的图像获得的光信号传递到第一组过滤加密组件S₁中的光学滤波器P₂，为进行一次夫琅和费衍射。该过程为进行光信号分频、选频，实现对光信号进行过滤。

进一步地，从第一组过滤加密组件S₁中的光学滤波器P₂到第二组过滤加密组件中的透镜L₂，为进行一次傅里叶变换。即，每经过一次过滤加密组件中的光学滤波器进行一次分频，进行信号过滤；每经过一次过滤加密组件中的透镜进行一次傅里叶变换。

进一步地，第N组过滤加密组件S_n中的透镜L_n+1起到合成作用，输出综合频谱输出图像，为进行空间坐标反演的傅里叶变换，公式为：

(2)式中，T(f_x，f_y)为经过上层过滤加密组件中光学滤波器和透镜的傅里叶变换后的频谱函数，

A′为第N组过滤加密组件中透镜引起的相位延迟，A′＝exp[-jkn′D₀′]，k为整数常数，n′为第N组过滤加密组件中透镜折射率，D₀′为第N组过滤加密组件中透镜厚度，j为傅里叶变换的复数项；

C为比例常数，f′为第N组过滤加密组件中透镜的焦距，x_f′为第N组过滤加密组件中透镜后焦平面的x轴坐标，y_f′为第N组过滤加密组件中透镜后焦平面的y轴坐标，λ为光的波长，x为第N组过滤加密组件中透镜前焦平面的x轴坐标，y为第N组过滤加密组件中透镜前焦平面的y轴坐标；

x₃为第N组过滤加密组件中透镜的输出面x轴坐标，y₃为第N组过滤加密组件中透镜的输出面y轴坐标，f_x为x轴方向上的空间频率，f_y为y轴方向上的空间频率。

可选地，本实施例可以应用于任何视频监控场景，比如通过摄像头所拍摄的空间画面，可将本系统安装在摄像机的监控探头上等，本实施例对其不作限定。例如，可以应用于实时监控独居老人是否发生突发性疾病或者意外，以及其他通过视频监控获取隐私性较强区域内的人活动信息的场景与领域。

以一个具体的实例来对本系统实际应用场景展开描述：将一个待加密的图片输入本图像加密物理光学系统中，参照图2所示，该图片为一位女士做瑜伽的图片，图中仅展示了部分中间处理图像。首先，经过第一组过滤加密组件S₁，输出经过黑白处理后的图像。其次，经过第二组过滤加密组件S₂，输出背景和人物的粗略轮廓图像。最后，经过多组过滤加密组件，进行层层过滤和传递，直至第N组过滤加密组件S_n输出综合频谱图像，最终输出只包括人物轮廓的图像信息。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种基于光学透镜的图像加密方法，由于该方法所解决问题的原理与前述基于光学透镜的图像加密物理光学系统相似，因此该方法的实施可以参见前述系统的实施，重复之处不再赘述。

本发明实施例还提供了一种基于光学透镜的图像加密方法，应用于上述基于光学透镜的图像加密物理光学系统，包括如下步骤：

获取待加密的图像，将图像传输至转换透镜L₁，转换透镜L₁接收图像，并将图像进行物像转换，生成成像光信号；

将成像光信号传递至第一组过滤加密组件S₁，第一组过滤加密组件S₁中的光学滤波器P₂接收成像光信号，进行第一次光信号分频，生成第一次滤波后的光信号；第一组过滤加密组件S₁中的透镜L₂将第一次滤波后的光信号进行信号传播；

将滤波后的光信号传递给后续N组过滤加密组件，后续N组过滤加密组件分别对光信号进行层层过滤和传播；

直至第N组过滤加密组件S_n输出综合频谱图像，实现图像加密。

具体地，第N组过滤加密组件S_n中的透镜L_n+1对层层过滤和传播后的光信号进行合成，输出综合频谱图像。

具体地，上述待加密的图像可以为摄像机所拍摄的此类实时空间画面，也可以为其他画面，本实施例对其不作限定。后续N组过滤加密组件均与第一组过滤加密组件的作用步骤完全相同。

本实施例中，通过透镜加滤波器的组合逐层实现了图像特征的提取与信息过滤，通过滤波器的光强与波长过滤，逐层削减了图像环境具体特征，逐层提取到人的动作特征，并通过透镜将过滤后的光信号进行逐层传递。实现了从图像生成源头进行数据的过滤与加密。

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。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种基于光学透镜的图像加密物理光学系统，其特征在于，包括：沿光轴方向依次设置的转换透镜L₁和N组过滤加密组件；每一组过滤加密组件沿光轴方向依次包括：光学滤波器和透镜；

待加密的图像经所述转换透镜L₁聚焦入射到N组过滤加密组件，经每一组过滤加密组件进行层层过滤和传播，输出综合频谱图像，实现图像加密；

待加密的图像经所述转换透镜L₁聚焦，为进行一次傅里叶变换，输出光信号，变换公式如下：

(1)式中，

A为由转换透镜L₁引起的相位延迟，A＝exp[-jknD₀]，k为整数常数，n为转换透镜L₁折射率，D₀为转换透镜L₁厚度，j为傅里叶变换的复数项；

f为转换透镜L₁的焦距，x₁为转换透镜L₁前焦平面的x轴坐标，y₁为转换透镜L₁前焦平面的y轴坐标；

f_x为x轴方向上的空间频率，f_y为y轴方向上的空间频率，C为比例常数，x_f为转换透镜L₁后焦平面的x轴坐标，y_f为转换透镜L₁后焦平面的y轴坐标，λ为光的波长。

2.如权利要求1所述的一种基于光学透镜的图像加密物理光学系统，其特征在于，所有每一组过滤加密组件中的光学滤波器和透镜等间隔距离设置；所述距离与所述透镜的焦距相同。

3.如权利要求1所述的一种基于光学透镜的图像加密物理光学系统，其特征在于，所述光信号经过第N组过滤加密组件中的透镜，为进行空间坐标反演的傅里叶变换，输出综合频谱图像，变换公式如下：

(2)式中，T(f_x,f_y)为经过上层过滤加密组件中光学滤波器和透镜的傅里叶变换后的频谱函数，

A'为第N组过滤加密组件中透镜引起的相位延迟，A'＝exp[-jkn'D₀']，k为整数常数，n'为第N组过滤加密组件中透镜折射率，D₀'为第N组过滤加密组件中透镜厚度，j为傅里叶变换的复数项；

C为比例常数，f'为第N组过滤加密组件中透镜的焦距，x_f'为第N组过滤加密组件中透镜后焦平面的x轴坐标，y_f'为第N组过滤加密组件中透镜后焦平面的y轴坐标，λ为光的波长，x为第N组过滤加密组件中透镜前焦平面的x轴坐标，y为第N组过滤加密组件中透镜前焦平面的y轴坐标；

x₃为第N组过滤加密组件中透镜的输出面x轴坐标，y₃为第N组过滤加密组件中透镜的输出面y轴坐标，f_x为x轴方向上的空间频率，f_y为y轴方向上的空间频率。

4.一种基于光学透镜的图像加密方法，其特征在于，应用于如权利要求1-3任一项所述的基于光学透镜的图像加密物理光学系统，包括如下步骤：

获取待加密的图像，将所述图像传输至转换透镜L₁，所述转换透镜L₁接收所述图像，并将所述图像进行物像转换，生成成像光信号；

将所述成像光信号传递至第一组过滤加密组件S₁，所述第一组过滤加密组件S₁中的光学滤波器P₂接收所述成像光信号，进行第一次光信号分频，生成第一次滤波后的光信号；所述第一组过滤加密组件S₁中的透镜L₂将所述第一次滤波后的光信号进行信号传播；

将所述滤波后的光信号传递给后续N组过滤加密组件，所述后续N组过滤加密组件分别对光信号进行层层过滤和传播；

直至第N组过滤加密组件S_n输出综合频谱图像，实现图像加密。

5.如权利要求4所述的一种基于光学透镜的图像加密方法，其特征在于，所述第N组过滤加密组件S_n中的透镜L_n+1对所述层层过滤和传播后的光信号进行合成，输出综合频谱图像。

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