CN113704774B - 基于编码孔径相关全息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编码孔径相关全息术的光学图像加密方法，属于信息安全和数字图像处理技术领域。采用相干光照明的光学图像加密方式，都会存在实验装置对准问题，以及对相干伪噪声很敏感。此外，其中一些系统涉及复值图像的记录和转换，这增加了光学实现的复杂性。本发明基于编码孔径相关全息术来实现图像的加解密过程，编码孔径相关全息术采用非相干光照明，使用四个不同的编码相位掩膜构建点扩散全息图增强图像的重建效果。在加密时采用点扩散函数增加加密速度。相比于其他非相干光照明的光学图像加密方式，本方法具有实验装置简单，重建质量好的优点。

Description

基于编码孔径相关全息术的光学图像加密方法
技术领域
本发明涉及基于编码孔径相关全息术的光学图像加密方法，属于信息安全和数字图像处理技术领域。
背景技术
在过去的二十年里，光学图像加密技术由于其固有的多参数利用和并行运算的能力，成为一个非常活跃的研究领域。自Refregier和Javidi提出双随机相位加密技术以来，人们一直致力于寻找利用光学平台实现的新型加密方法，如相位恢复迭代算法、衍射成像、基于干扰的加密方法和数字全息编码。这些方法也被推广到菲涅耳变换、分数傅里叶变换和旋回变换域。然而，尽管这些方案具有较高的效率和安全性，但由于它们使用的是相干照明，因此许多方案存在装置对准问题，以及对相干伪噪声很敏感。此外，其中一些系统涉及复值图像(密文和掩码)的记录和转换，这增加了光学实现的复杂性。由于空间非相干照明，成像系统可以看作是点扩散函数与输入强度之间的卷积运算，避免了复杂的操作和复值信号的记录。本发明提出的基于编码孔径相关全息术的光学图像加密方法是基于非相干光的光学图像加密，主要密钥为点扩散全息图(Point spread hologram，PSH)，增加了加密系统的加密质量，具有实验装置简单，重建质量好的优点。
发明内容
本发明的目的是提出了一种新的基于非相干光的光学图像加密方法,是基于编码孔径相关全息术的光学图像加密方法,该方法解决了之前基于非相干光的图像加密系统密钥空间小的缺点,提高了基于非相干光的光学图像加密方法的安全性,并且本方法适用于加密各种灰度图像。
基于编码孔径相关全息术的光学图像加密方法的系统包括非相干光源、编码相位掩膜(Coded phase mask,CPM)、空间光调制器(Spatial light modulator,SLM)、图像传感器以及透镜，透镜起准直扩束的作用。上面描述的所述CPM是通过Gerchberg-Saxton(GS)算法计算得到。非相干光从光源发射，在空间中衍射至所述CPM，被所述CPM调制后，再衍射至所述图像传感器。本方法包括如下步骤：步骤1，选择光源中心波长λ，图像到所述CPM的距离zc以及所述CPM到图像传感器的距离zs；通过所述GS算法生成n个不同的所述CPM，定义第k幅编码相位掩膜为CPMk；步骤2，通过所述GS算法生成的n个不同所述CPM，构建点扩散全息图(Point spread hologram，所述PSH)；步骤3，加密图像；步骤4，解密图像。
步骤1：
选择光源中心波长λ，设置图像到所述CPM的距离zc，所述CPM到所述图像传感器的距离zs。
步骤2：
通过所述GS算法生成n幅不同的所述CPM，构建点光源，所述点光源出射光衍射至所述CPM所在平面，透过所述CPM后，衍射至距离所述CPM为zs的所述图像传感器。所述图像传感器记录强度分布Ok(r)(k＝1,2,3…,n)，其中r＝(x,y)。所述PSH由n幅所述点扩散函数合成，由n幅所述虚拟点扩散函数合成的所述PSH为Henp(r)。
Figure GDA0003310760010000021
步骤3：
将目标图像与所述PSH进行卷积运算，完成图像加密过程，所述目标图像表示为Iobj(r)，加密后图像表示为Ienp(r)。
Ienp(r)＝|Iobj(r)*Henp(r)| (2)
“*”表示互相关运算。
步骤4：
所述SLM加载所述CPMk的复振幅，图像依次透过所述SLM，衍射至所述图像传感器，记录此时所述图像传感器接收的强度分布为Ik(r)(k＝1,2,3…,n)，并由Ik(r)合成新的全息图Hdep(r)。
Figure GDA0003310760010000022
使用Henp(r)与Hdep(r)进行重建，解密图像为Idep(r)。Idep(r)解密采用式(4)。式(4)为互相关重建方法。
Figure GDA0003310760010000023
“
Figure GDA0003310760010000024
”表示互相关运算。
附图说明
图1是具体实施方式的装置图，1单色LED，2第一透镜，3第二透镜，4待加密图像，5空间光调制器，6图像传感器。
图2是需要加密的图像，像素为256256字母E的灰度图像。
图3是matlab软件模拟得到的所述PSH图像,像素为1200×1200的灰度图像。
图4是matlab软件模拟得到的加密后的图像,像素为1200×1200的灰度图像。
图5是matlab软件模拟得到的解密后的图像,像素为256×256的灰度图像。
图6a是matlab软件模拟得到的未获取正确衍射距离解密后的图像,像素为256×256的灰度图像。
图6b是matlab软件模拟得到的未获取正确光源中心波长解密后的图像,像素为256×256的灰度图像。
图6c是matlab软件模拟得到的未获取所述CPM解密后的图像,像素为256×256的灰度图像。
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,对操作过程做详细的说明。
图1为具体实施方式的装置图，其包括(1)单色LED光源，(2)、(3)准直扩束系统，(4)待加密图像，(5)SLM，(6)图像传感器。单色LED光源至第一透镜的距离为d1，第一透镜至第二透镜的距离为d2，所述第一透镜的焦距为f1，所述第二透镜的焦距为f2。d1、d2、f1、f2满足d1-1+(d2-f2)-1＝f1-1。从所述第二透镜输出的是准直光束。待加密图像至所述SLM的距离zc为30毫米，所述SLM至所述图像传感器的距离zs为30毫米，所述单色LED光源的中心波长λ为532纳米。
首先确定要加密的图像，如图2所示,放置图1中(4)的位置，通过所述GS算法依次生成四个不同的所述CPM，按照上述(1)式生成所述PSH，，图3所示为matlab软件模拟得到的所述PSH图像，将图像衍射至所述SLM与所述PSH卷积后，再衍射至所述图像传感器完成加密步骤，图4所示为matlab软件模拟得到的加密后的图像。
解密过程只需记录所述图像传感器接收到的图像强度分布Ok(r)(k＝1,2,3,4)，根据式(3)合成新的全息图，根据式(4)完成解密过程，图5所示为matlab软件模拟得到的解密后的图像。
本方法中的合成所述PSH的所述CPM，所述光源的中心波长λ以及图像的衍射距离，都是加密系统的密钥，如果无法获取正确的密钥，将很难获取正确的目标图像。图6a所示为matlab软件模拟得到的未获取正确衍射距离解密后的图像，误差为20微米。图6b所示为matlab软件模拟得到的未获取正确所述光源中心波长解密后的图像，误差为-32纳米。图6c所示为matlab软件模拟得到的未获取所述CPM解密后的图像。仿真实验表明，本方法具有较好的密钥敏感性，具有较高的安全性。
具体实施方式中的实施例仅代表本发明的一种实施方式。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。所有从事本发明相关技术领域的技术人员，均能够按照本发明提出方法设计多种不同的实施方案。凡实施方案符合本发明权利要求，均在本专利的保护范围内。

Claims (2)

1.基于编码孔径相关全息术的光学图像加密方法，其特征在于，LED光源出射光衍射至编码相位掩模CPM(Coded phase mask)所在平面，透过所述CPM后，衍射至距离所述CPM为zs的图像传感器；步骤1，选择光源中心波长λ，图像到所述CPM的距离zc以及所述CPM到所述图像传感器的距离zs；通过GS(Gerchberg-Saxton)算法生成n个不同的所述CPM，定义第k幅所述编码相位掩膜为CPMk；步骤2，通过所述GS算法生成的n个不同所述CPM，构建点扩散全息图PSH(Pointspread hologram)；步骤3，加密图像；步骤4，解密图像；
步骤1具体内容为：
选择光源中心波长λ，定义(x，y)为与光束传播方向垂直的光场横截面上的坐标，设置图像到所述CPM的距离zc，所述CPM到所述图像传感器的距离zs；
步骤2具体内容为：
通过所述GS算法生成n幅不同的所述CPM，构建点光源，所述点光源出射光衍射至所述CPM所在平面，透过所述CPM后，衍射至距离所述CPM为zs的所述图像传感器；所述图像传感器记录强度分布Ok(r)，其中r＝(x，y)，是为了表达简便，用r代表(x，y)；所述PSH由n幅点扩散函数合成，由n幅点扩散函数合成的所述PSH为Henp(r)；
Figure FDA0003727228030000011
其中，j表示虚部单位；
步骤3具体内容为：
将目标图像与所述PSH进行卷积运算，完成图像加密过程，所述目标图像表示为Iobj(r)，加密后图像表示为Ienp(r)；
步骤4具体内容为：
空间光调制器SLM(Spatial Light Modulator)加载所述CPMk的复振幅，图像依次透过所述SLM，衍射至所述图像传感器，记录此时所述图像传感器接收的强度分布为Ik(r)(k＝1，2，3…，n)，并由Ik(r)合成新的全息图Hdep(r)；
Figure FDA0003727228030000012
使用Henp(r)与Hdep(r)进行重建，解密图像为Idep(r)；Idep(r)解密采用互相关重建方法。
2.如权利要求1所述基于编码孔径相关全息术的光学图像加密方法，其特征在于：采用非相干光照明，使用n个不同的编码相位掩膜构建点扩散全息图，增强图像的重建效果；在解密时采用互相关运算提高解密图像质量；
Figure FDA0003727228030000013
Figure FDA0003727228030000014
表示互相关运算。
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