CN113505384B - 基于数字光学相位共轭技术的光学图像加密方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于数字光学相位共轭技术的光学图像加密方法，涉及信息安全和信息光学技术领域。利用散射介质的散射作用，实现明文信息的加密；解密过程则采用相位共轭回放技术。在密钥均正确的情况下，采用四步相移干涉法计算出散斑场的相位，得到散射光的共轭光，再逆向通过散射介质，即可恢复出明文图像。该方案具有很高的鲁棒性，为解决互联网信息安全，特别是为光学图像加密方法提供了新的思路。
Description
本发明涉及一种信息安全和信息光学技术领域，具体涉及一种基于数字光学相位共轭技术的光学图像加密方法。
背景技术
随着通信技术和计算机科学的发展，信息安全逐渐受到人们的重视。由于图像可以直观地携带大量的数据，因此在信息传输中扮演着至关重要的作用。为了保证图像传输的安全性，人们提出了多种图像加密算法。光加密技术因其具有高并行度、大信息量和高加密维度等固有特性而备受关注。
散射介质通常又称为无序介质，介质内部存在很多微观粒子，当光通过散射介质传播时，会发生多次散射，散射介质因其固有的散射特性，在光信息安全领域得到了人们的关注。在光加密领域中，通常利用扩散器对待加密图像进行散射得到类噪声散斑来提高信息的安全性。对于加密得到的散斑图像也提出了利用点扩展函数以及传输矩阵进行解密的方法，使用点扩展函数需要在记忆效应范围内才能实现对图像解密，传输矩阵法需求解计算量较大的传输矩阵，相对来说比较耗时，因此这些方法均具有一定的局限性。针对现有技术的局限性，本发明提出了一种基于数字光学相位共轭技术的光学图像加密方法，该方法没有记忆效应的限制，并且能实现快速解密。
发明内容
本发明的目的可以通过以下技术措施实现：
本发明基于数字光学相位共轭技术的光学图像加密系统，包括激光器，准直扩束系统，偏振片，半波片，偏振分光棱镜，第一、第二反射镜，第一、第二分光棱镜，第一、第二图像传感器，空间光调制器，散射介质，待加密图像，计算机。
本方法包括如下步骤：步骤1，构建散射介质模型；步骤2.利用数字光学相位共轭系统对待加密图像进行加密；步骤3，利用相位共轭回放进行解密。
步骤1：
对于所述散射介质模型，其厚度为m，相邻两层之间的间隔为Δl。将每一层压缩为相邻层之间具有非散射自由空间的平面。假设每一层可以分成许多散斑，平均散斑大小为s，每个散斑中折射率n为一个单一的常数，不同散斑的折射率服从随机高斯分布，忽略散射介质的吸收。
步骤2：
利用所述数字光学相位共轭系统，所述待加密图像透过所述散射介质模型与参考光进行干涉获得全息图，实现对所述待加密图像的加密。
步骤3：
利用相位共轭回放技术进行解密，图像传感器采集到的全息图为：
其中，o(x,y)表示物光的振幅，r(x,y)表示参考光的振幅，
表示物光的相位，
表示参考光的相位。利用四步相移全息术计算出所述物光的复振幅，将得到所述物光的相位加载到所述空间光调制器上以获得相位共轭光，进行共轭回放即可获得解密图像。
所述数字光学相位共轭系统的密钥为所述待加密图像到所述散射介质模型之间的距离为z1，所述散射介质模型到所述图像传感器之间的距离为z2；在解密过程中距离参数出现偏差会导致解密失败。所述数字光学相位共轭系统的密钥为所述散射介质模型的内部构造；所述散射介质模型确定后，所述厚度m，所述相邻两层之间的间隔Δl，所述折射率n，均为固定常数，存在偏差会导致解密失败。
本发明基于数字光学相位共轭技术的光学图像方法，基于以上重要特点，在为解决互联网信息安全，特别是为光学图像加密方法提供了新的思路。
附图说明
图1是一种基于数字光学相位共轭技术的光学图像加密方案中实施的光路结构图；其中，激光器(1)，准直扩束系统(2)(3)，偏振片(4)，半波片(5),第一反射镜(6)，偏振分光棱镜(7)，第二反射镜(8)，第一分光棱镜(9)，第一图像传感器(10)，计算机(11)，空间光调制器(12)，散射介质(13)，第三分光棱镜(14)，第二图像传感器(15)，待加密图像(16)，第三反射镜(17)。
图2是本发明实施例中的待加密图像，Cameraman图像。
图3是本发明实施例中的加密结果。
图4是本发明实施例中的解密结果。
图5a是本发明实施例中不使用数字光学相位共轭直接进行回放得到的解密结果。
图5b是本发明实施例中散射介质层间距误差为10nm解密得到的解密结果。
图5c是本发明实施例中散射介质(13)到第一图像传感器(10)距离误差为1mm时解密得到的解密结果。
具体实施方式
为了更好的解释本发明的实施过程，下面结合附图和实施例，对操作过程做详细的说明。
图1是本发明在基于数字光学相位共轭技术的光学图像加密方案中的光路图。该光路图结构包括激光器(1)，准直扩束系统(2)(3)，偏振片(4)，半波片(5),第一反射镜(6)，偏振分光棱镜(7)，第二反射镜(8)，第一分光棱镜(9)，第一图像传感器(10)，计算机(11)，空间光调制器(12)，散射介质模型(13)，第三分光棱镜(14)，第二图像传感器(15)，待加密图像(16)，第三反射镜(17)。
本发明基于数字光学相位共轭技术的光学图像加密方法，包括如下步骤：步骤1.构建散射介质模型；步骤2.利用数字光学相位共轭系统对待加密图像进行加密；步骤3，利用相位共轭回放进行解密三个环节。
步骤1：
首先构建所述散射介质模型，其厚度为1mm，相邻两层之间的间隔为20um。将每一层压缩为相邻层之间具有非散射自由空间的平面。假设每一层可以分成许多散斑，平均散斑面积为7um，在每个散斑中折射率被建模为一个单一的常数。不同散斑的折射率服从均值为2.0标准差为1.6×10-3的随机高斯分布，忽略散射介质的吸收。
步骤2：
将所述散射介质模型放在图1的光路中，所述待加密图像透过所述散射介质模型与参考光干涉获得全息图，实现对所述待加密图像的加密，利用所述第一图像传感器接收强度信息。
步骤3：
利用相位共轭回放进行解密；
假设到达第一图像传感器(10)的物光和参考光分别为：
其中，O(x,y)表示物光，R(x,y)表示参考光，所述第一图像传感器采集到的干涉图的强度为：
依次对所述参考光引入步长为
的参考光相移，所述第一图像传感器分别采集4次相移后得到的干涉图强度为：
计算出所述物光的相位为：
将(5)式代入(4)式中，可得到所述物光的振幅o(x,y)，最终得到所述物光的复振幅分布。在所述空间光调制器上以加载所述物光的相位，进行共轭回放即可获得解密图像。
本发明的一个实施例：
待加密图像为Cameraman图像(如附图2所示)，得到的加密图像(如附图3所示)。
待加密图像利用相位共轭回放解密后得到恢复后的Cameraman图像(如附图4所示)。
待加密图像直接进行回放得到的解密结果(如附图5a所示)。
图5b是本发明实施例中散射介质层间距误差为10nm解密得到的解密结果(如附图5b所示)。
散射介质模型(13)到第一图像传感器(10)的距离误差为1mm时解密得到的解密结果(如附图5c所示)。
结合以上对加密、解密过程的详细描述，不难看出，本发明实施例提供了一种相干光照明下具有加解密效率高、恢复质量好的光学图像加密系统及其方法。
以上所述仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种基于数字光学相位共轭技术的光学图像加密方法，其特征在于，包括以下三个步骤：
步骤1，构建散射介质模型；步骤2，利用数字光学相位共轭系统对待加密图像进行加密；步骤3，利用相位共轭回放进行解密；
步骤1具体内容为：
构建散射介质模型，对于所述散射介质模型，其厚度为m＝1mm，相邻两层之间的间隔为Δl＝20μm；将每一层压缩为相邻层之间具有非散射自由空间的平面；每一层分成许多散斑，平均散斑大小为s＝7μm，每个散斑中折射率为一个单一的常数；不同散斑的折射率n服从均值为2.0标准差为1.6×10-3的随机高斯分布，忽略散射介质的吸收；
步骤2具体内容为：
利用所述数字光学相位共轭系统，待加密图像透过所述散射介质模型作为物光与参考光进行干涉获得全息图，实现对所述待加密图像的加密；所述数字光学相位共轭系统的密钥为所述待加密图像到所述散射介质模型之间的距离，所述散射介质模型到第一图像传感器之间的距离，所述散射介质模型的参数；
步骤3具体内容为：
利用相位共轭回放技术进行解密，所述第一图像传感器采集到的全息图为：
其中，o(x,y)表示物光的振幅，r(x,y)表示参考光的振幅，
表示物光的相位，
表示参考光的相位；利用四步相移全息术计算出所述物光的复振幅，将得到所述物光的相位加载到空间光调制器上以获得相位共轭光，进行共轭回放即可获得解密图像。
2.如权利要求1所述的一种基于数字光学相位共轭技术的光学图像加密方法，其特征在于：在步骤2中，所述数字光学相位共轭系统的密钥分别是所述待加密图像到所述散射介质模型之间的距离，所述散射介质模型到所述第一图像传感器之间的距离；在解密过程中距离参数出现偏差会导致解密失败。
3.如权利要求1所述的一种基于数字光学相位共轭技术的光学图像加密方法，其特征在于：在步骤2中，所述数字光学相位共轭系统的密钥为所述散射介质模型的参数；所述散射介质模型确定后，所述数字光学相位共轭系统的密钥为所述厚度m＝1mm，所述相邻两层之间的间隔Δl＝20μm，所述散斑大小s＝7μm，所述折射率n服从均值为2.0标准差为1.6×10-3的随机高斯分布；参数均为固定常数，存在偏差会导致解密失败。
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