CN114710597B - 一种基于随机光强调制的全息显示多图像的加密方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于随机光强调制的全息显示多图像的加密方法，包括：S1、生成N个正态高斯随机分布矩阵
Figure DDA0003423018500000011
作为为密钥1，根据待加密图像的特征，从中抽取M个符合图像特征的随机调制矩阵，与M幅目标图像通过Gerchberg‑Saxton(G‑S)迭代算法，一起压缩加密成全息加密图，将其中根据图像特征以及尽可能减小串扰噪声来选取的菲涅尔衍射的距离作为密钥2，完成第一次加密，其中M<N；S2、将全息加密图通过密钥1进行计算关联成像加密；S3、通过桶探测器多次接收密文，获取待重构信息；S4、将步骤S3中的待重构信息与密钥1运用计算关联成像算法进行第一次解密重构；S5、从密钥1中提取对。根据本发明，减小由于单一算法引起的潜在安全隐患，改善二次加密算法的速率，实现大容量的、安全的信息加密，提高光学加密的资源利用率。

Description

一种基于随机光强调制的全息显示多图像的加密方法
技术领域
本发明涉及光学加密的技术领域，特别涉及一种基于随机光强调制的全息显示多图像的加密方法。
背景技术
随着通信技术的快速发展，大数据时代降临，人们对于信息安全的需求越来越大，各个行业对于信息安全业务的需求促使光学加密系统必须快速准确地加密和解密待加密的信息。为了实现更大容量的光学加密系统，人们根据光学信息处理技术的高并行性、高速率、高储存等特点实现了多图像光学加密技术，不仅增加了加密的容量，而且提高了安全性。
现有的光学加密系统中，普遍存在以下缺陷:1)目前大多数的多图像光学加密方法都是多张图片共用一个公共密钥。共用一个公共密钥的做法存在极大的安全隐患，一旦公共密钥泄露，所有图片都将被泄露；2)现有的多图像光学加密方法要想实现大容量的图像加密，加密手段单一。单次加密存在局限性，而且一旦被破解，后果不堪设想。要想进一步保障信息的安全性，需要实施二次加密，这也增加了加密信息的冗余，这些因素都限制了技术的进一步推广。
发明内容
针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种基于随机光强调制的全息显示多图像的加密方法，减小由于单一算法引起的潜在安全隐患，改善二次加密算法的速率，实现大容量的、安全的信息加密，提高光学加密的资源利用率。为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种基于随机光强调制的全息显示多图像的加密方法，包括：
S1、生成N个正态高斯随机分布矩阵
Figure BDA0003423018480000021
作为为密钥1，根据待加密图像的特征，从中抽取M个符合图像特征的调制矩阵，与M幅目标图像通过Gerchberg-Saxton(G-S)迭代算法，一起压缩加密成全息加密图，将其中根据图像特征以及尽可能减小串扰噪声来选取的菲涅尔衍射的距离作为密钥2，完成第一次加密，其中M<N；
S2、将全息加密图通过密钥1进行计算关联成像加密；
S3、通过桶探测器多次接收密文，获取待重构信息；
S4、将步骤S3中的待重构信息与密钥1运用计算关联成像算法进行第一次解密重构；
S5、从密钥1中提取对应的M个矩阵，将重构出的全息图通过密钥2和M个矩阵进行二次解密图像。
优选的，所述步骤S1中的生成全息图步骤包括：
S11、将根据待加密图像的特征，从中抽取M个符合图像特征的调制矩阵A结合随机相位通过菲涅尔衍射因子传播到target1的位置，得到相位分布，其中传播距离为Z1；
S12、将得到的相位叠加target1，通过菲涅尔衍射因子传播得到全息图相位分布；
S13、将入射光的强度结合全息图相位通过菲涅尔衍射因子传播到target2的位置，得到相位分布，将得到的相位叠加target2，通过菲涅尔衍射因子传播得到全息图相位分布，所述入射光的强度为随机调制矩阵B；
S14、将入射光的强度结合全息图相位通过菲涅尔衍射因子传播到target3的位置，得到相位分布，将得到的相位叠加target3，通过菲涅尔衍射因子传播得到全息图相位分布，所述入射光的强度为随机调制矩阵C；
S15、利用得到的相位分布再次迭代，重复上述过程得到相位全息图。
优选的，所述步骤S2中计算关联成像加密的步骤包括：
S21、由N个正态高斯随机分布矩阵
Figure BDA0003423018480000031
作为密钥1；
S22、空间光调制器DMD对光场的相位进行调制，每次调制产生光强为I(x，y)的散斑场；
S23、将调制后的散斑场照射到物体T(x，y)的表面，透过物体的光强值由点探测器探测记为Bn；
S24、重复测量计算N次，将得到的N个不同测量值
Figure BDA0003423018480000032
作为密文。
优选的，计算关联成像加密的过程通过公式(1)所示，其中In(x，y)如公式(2)所示，根据菲涅尔传播函数计算得到的：
Bn＝∫In(x，y)T(x，y)dx dy (1)
Figure BDA0003423018480000033
优选的，所述步骤S4中第一次解密重构通过公共密钥计算得到光强信息In(x，y)，将In(x，y)与密文按公式(3)进行关联运算，重构成二维全息图像，所述密文公式如下：
Figure BDA0003423018480000034
优选的，所述步骤S5中从密钥1中抽取M个矩阵，利用密钥2和所述M个矩阵通过菲涅尔衍射传播方法，获得目标图像。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：
(1)本发明属于二次加密系统，结合了计算关联成像加密与全息加密技术，全息加密图不仅起到了二次加密和伪装图像的作用，而且提高了多图像光学加密的速率和压缩性。
(2)在本加密方法中，随机矩阵不仅是计算关联成像加密的第一次解密密钥，而且是二次解密全息加密图的关键。
附图说明
图1为根据本发明的基于随机光强调制的全息显示多图像的加密方法的流程图；
图2为根据本发明的基于随机光强调制的全息显示多图像的加密方法的生成全息图像的流程图。
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。
参照图1-2，一种基于随机光强调制的全息显示多图像的加密方法，包括：S1、生成N个正态高斯随机分布矩阵
Figure BDA0003423018480000041
作为为密钥1，从中将根据待加密图像的特征，从中抽取M个符合图像特征的调制矩阵，与M幅目标图像通过Gerchberg-Saxton(G-S)迭代算法，一起压缩加密成全息加密图，将其中根据图像特征以及尽可能减小串扰噪声来选取的菲涅尔衍射的距离作为密钥2，完成第一次加密，其中M<N，所述全息算法为相位恢复算法，Gerchberg-Saxton(G-S)迭代算法；
S2、将全息加密图通过密钥1进行计算关联成像加密，在实施计算关联成像加密时，设备可优先使用光二极管作为照明光源，使用伸缩式镜头：尼康AF-S DX 55-200mm f/4-5.6G ED(68mm*79mm)。使用供应灰点POINTGREY原装进口的BFLY-PGE-50H5M实验相机(29*29*30mm)，采集卡：M2i.2030-exp；
S3、通过桶探测器多次接收密文，获取待重构信息，所述待重构信息为强度能量信息；
S4、将步骤S3中的待重构信息与密钥1运用计算关联成像算法进行第一次解密重构，所述公共密钥为N个正态高斯随机分布矩阵
Figure BDA0003423018480000042
S5、从密钥1中提取对应的M个矩阵，将重构出的全息图通过密钥2和M个矩阵进行二次解密图像，所述密钥2为光通过相位全息图后的衍射距离。
进一步的，所述步骤S1中的生成全息图步骤包括：
S11、将根据待加密图像的特征，从中抽取M个符合图像特征的调制矩阵A结合随机相位通过菲涅尔衍射因子传播到target1的位置，得到相位分布，其中根据图像特征以及尽可能减小串扰噪声来选取的菲涅尔衍射的距离为Z1；
S12、将得到的相位叠加target1，通过菲涅尔衍射因子传播得到全息图相位分布；
S13、将入射光的强度结合全息图相位通过菲涅尔衍射因子传播到target2的位置，得到相位分布，将得到的相位叠加target2，通过菲涅尔衍射因子传播得到全息图相位分布，所述入射光的强度为随机调制矩阵B；
S14、将入射光的强度结合全息图相位通过菲涅尔衍射因子传播到target3的位置，得到相位分布，将得到的相位叠加target3，通过菲涅尔衍射因子传播得到全息图相位分布，所述入射光的强度为随机调制矩阵C；
S15、利用得到的相位分布再次迭代，重复上述过程得到相位全息图。
进一步的，所述步骤S2中计算关联成像加密的步骤包括：
S21、由N个正态高斯随机分布矩阵
Figure BDA0003423018480000051
作为密钥1；
S22、空间光调制器DMD对光场的相位进行调制，每次调制产生光强为I(x，y)的散斑场；
S23、将调制后的散斑场照射到物体T(x，y)的表面，透过物体的光强值由点探测器探测记为Bn；
S24、重复测量计算N次，将得到的N个不同测量值
Figure BDA0003423018480000052
作为密文。
进一步的，计算关联成像加密的过程通过公式(1)所示，其中In(x，y)如公式(2)所示，根据菲涅尔传播函数计算得到的：
Bn＝∫In(x，y)T(x，y)dx dy (1)
Figure BDA0003423018480000061
进一步的，所述步骤S4中第一次解密重构通过公共密钥计算得到光强信息In(x，y)，将In(x，y)与密文按公式(3)进行关联运算，重构成二维全息图像，所述密文公式如下：
Figure BDA0003423018480000062
进一步的，所述步骤S5中从密钥1中抽取M个矩阵，利用密钥2和所述M个矩阵通过菲涅尔衍射传播方法，获得目标图像。
实施例1
如图1和图2所示，一种基于随机光强调制的全息显示多图像的加密方法包括步骤S1～S5。具体如下：
S1：(以三幅图像的全息迭代加密为例)首先生成N个正态高斯随机分布矩阵
Figure BDA0003423018480000063
作为密钥1，从中根据待加密图像的特征，从中抽取M个符合图像特征的调制矩阵A，B，C。将目标图像Target1，Target2，Target3通过Gerchberg-Saxton(G-S)迭代算法，压缩生成一副基于空间调制的全息图，空间调制矩阵为A，B，C。
S1具体为：(以三幅图像的全息迭代加密为例)先将随机调制矩阵A结合随机相位通过根据图像特征以及尽可能减小串扰噪声来选取的菲涅尔衍射的距离Z1到target1的位置，得到相位分布；将得到的相位叠加target1，通过菲涅尔衍射因子传播(传播距离-Z1)得到全息图相位分布；将入射光的强度(即随机调制矩阵B)结合全息图相位通过根据图像特征以及尽可能减小串扰噪声来选取的菲涅尔衍射的距离Z2到target2的位置，得到相位分布,将得到的相位叠加target2，通过菲涅尔衍射因子传播(传播距离1Z1)得到全息图相位分布；将入射光的强度(即随机调制矩阵C)结合全息图相位通过根据图像特征以及尽可能减小串扰噪声来选取的菲涅尔衍射的距离Z3到target3的位置，得到相位分布,将得到的相位叠加target3，通过菲涅尔衍射因子传播(传播距离-Z3)得到全息图相位分布；利用得到的相位分布再次迭代,重复上述过程得到相位全息图。
S2：将相位全息图通过计算关联成像进行加密，完成二次加密
S2具体为：计算关联成像加密的方法：计算关联成像加密的方法：由N个正态高斯随机分布矩阵
Figure BDA0003423018480000071
作为密钥1。空间光调制器DMD对光场的相位进行调制，每次调制产生光强为I(x，y)的散斑场，将调制后的散斑场照射到物体T(x，y)的表面，透过物体的光强值由点探测器探测记为Bn。重复测量计算N次，将得到的N个不同测量值/>
Figure BDA0003423018480000072
作为密文。该过程如公式(1)所示，其中的In(x，y)如公式(2)所示，是根据菲涅尔传播函数计算得到的。
Bn＝∫In(x，y)T(x，y)dxdy (1)
Figure BDA0003423018480000073
S3：通过桶探测器多次接收密文，获取待重构信息
S4：利用密钥1通过计算关联成像重构全息图像，作为第一次解密
S4具体为：通过作为密钥1的观测矩阵得到光强信息，将光强信息
In(x，y)与密文按公式3进行关联运算，重构成二维全息图像。
Figure BDA0003423018480000074
S5：从密钥1中提取空间调制矩阵A，B，C。将重构出的全息图，通过密钥2和M个矩阵，二次解密图像。
S5具体为：利用重构得到相位全息图，入射平行光经过相位全息图后，利用空间调制矩阵A，B，C和不同的衍射距离作为密钥2，进行二次解密。
综上，在本发明提供的基于随机光强调制的全息显示多图像的加密方法中，该方法将关联成像技术与全息技术结合，将其应用到多图像二次加密领域。关联成像加密技术的保密特性和抗干扰特性，保证了加密信息的安全性和准确性。此外，本发明结合了全息技术，利用计算关联成像的随机矩阵和相位恢复Gerchberg-Saxton(G-S)迭代算法，将图像与随机矩阵一起生成全息图，不仅起到了图像伪装的作用，而且提高了多图像光学加密的速率和压缩性。本发明为提高信息加密的安全性和压缩性提供了一种新方法。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的，对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (3)

1.一种基于随机光强调制的全息显示多图像的加解密方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、生成N个正态高斯随机分布矩阵
Figure QLYQS_1
，作为密钥1，其中，/>
Figure QLYQS_2
，根据待加密图像的特征，从N个正态高斯随机分布矩阵中抽取M个符合图像特征的随机调制矩阵，与M幅目标图像通过Gerchberg-Saxton(G-S)迭代算法，一起压缩加密成全息加密图，所述生成全息加密图步骤包括：
S11、从N个正态高斯随机分布矩阵中抽取M个符合图像特征的随机调制矩阵A、B、C，其中M等于3；
S12、将随机调制矩阵A结合随机相位通过菲涅尔衍射因子传播到第一幅目标图像的位置，得到第一相位分布，其中菲涅尔衍射因子的传播距离为Z1；
S13、将得到的第一相位分布叠加第一幅目标图像，通过菲涅尔衍射因子传播得到第一全息图相位分布；
S14、将随机调制矩阵B结合第一全息图相位分布通过菲涅尔衍射因子传播到第二幅目标图像的位置，得到第二相位分布，其中菲涅尔衍射因子的传播距离为Z2，将得到的第二相位分布叠加第二幅目标图像，通过菲涅尔衍射因子传播得到第二全息图相位分布；
S15、将随机调制矩阵C结合第二全息图相位分布通过菲涅尔衍射因子传播到第三幅目标图像的位置，得到第三相位分布，其中，菲涅尔衍射因子的传播距离为Z3，将得到的第三相位分布叠加到第三幅目标图像，通过菲涅尔衍射因子传播得到第三全息图相位分布；
S16、利用得到的第三全息图相位分布重复执行S12-S15，直到得到全息加密图；
将其中菲涅尔衍射因子的传播距离Z1、Z2和Z3作为密钥2，完成第一次加密，其中M<N，这其中菲涅尔衍射因子的传播距离根据图像特征以及减小串扰噪声来选取；
S2、将全息加密图通过密钥1进行关联成像加密；
S3、通过桶探测器多次接收密文，获取待重构信息；
S4、将步骤S3中的待重构信息与密钥1运用关联成像算法进行第一次解密重构；
S5、从密钥1中提取对应的M个矩阵，将重构出的全息图通过密钥2和M个矩阵进行二次解密。
2.根据权利要求1所述的一种基于随机光强调制的全息显示多图像的加解密方法，其特征在于，所述步骤S2中计算关联成像加密的步骤包括：
S21、由N个正态高斯随机分布矩阵
Figure QLYQS_3
作为密钥1；
S22、空间光调制器DMD对光场的相位进行调制，每次调制产生光强为I(x，y)的散斑场；
S23、将调制后的散斑场照射到物体T(x，y)的表面，透过物体的光强值由点探测器探测记为Bn；
S24、重复测量计算V次，将得到的V个不同测量值
Figure QLYQS_4
作为密文。
3.根据权利要求2所述的一种基于随机光强调制的全息显示多图像的加解密方法，其特征在于，所述步骤S5中从密钥1中根据待加密图像的特征，从N个正态高斯随机分布矩阵中抽取M个符合图像特征的随机调制矩阵，利用密钥2和所述M个矩阵获得目标图像。
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