CN115085824A - 一种信息隐藏方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种信息隐藏方法及其装置，该方法包括：根据待隐藏图像生成的平行光束均匀光强分布构建解密器；基于解密器输出解密光强分布并构建加密器；基于加密器输出目标光强分布并通过光线接收板吸收光线，得到隐藏信息图案。该装置包括：解密器、加密器和光线接收板；解密器用于接收平行光束均匀光强分布并输出解密光强分布；加密器用于接收解密光强分布并输出目标光强分布；光线接收板用于接收目标光强分布并得到隐藏信息图案；解密器、加密器和光线接收板依次沿平行光束的方向排列布置。通过使用本发明，能够增强加密信息的隐秘性。本发明作为一种信息隐藏方法及其装置，可广泛应用于光学技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种信息隐藏方法及其装置。
背景技术
视觉密码术(VC，Visual Cryptography)是一种重要的信息安全技术，VC方法主要分为可见VC方法和不可见VC方法，现有的不可见VC方法仍存在以下弊端：在目前的不可见VC方法中，有一种视觉密匙被制成衍射光学元件(DOE，Diffractive Optical Element)或全息光学元件(HOE，Holographic Optical Element)的方法，避免随机噪声攻击并获得高安全性，然而，这两种方案中使用的光学器件的实验复杂度很高；另一种基于水印的不可见VC方法，水印被分散到不同层上的多个可视密匙中，然后对光学元件进行处理，以通常的光学水印形式记录与光学密文平行的可视密匙，在这些技术方案中，加工光学元件是不可避免的。因此，水印技术受到处理成本和准确性的限制。
最早的VC方案是通过叠加两个随机图像生成解密信息的。从光学角度来看，这属于光能的再分配问题。然而，由于图像的简单重叠，这些方案的光学过程相对简单，因此它们的安全性主要来自随机性，而不是光学过程。对于光能再分配问题，有一种称为自由曲面光学的重要技术，它可以轻松地将光能从点光源(或准直光源)重新分配成预设的光强分布。自由曲面技术已广泛应用于照明和成像领域，并发展了许多完善的理论方法。然而，关于自由曲面技术在视觉密码中的应用却鲜有报道。自由曲面光学在光场调节方面的优势，使其可以很好地应用于视觉密码的加密和解密。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种信息隐藏方法及其装置，能够增强加密信息的隐秘性。
本发明所采用的第一技术方案是：一种信息隐藏方法，包括以下步骤：
根据待隐藏图像生成的平行光束均匀光强分布构建解密器；
基于解密器输出解密光强分布并构建加密器；
基于加密器输出目标光强分布并通过光线接收板吸收光线，得到隐藏信息图案。
进一步，所述根据待隐藏图像生成的平行光束均匀光强分布构建解密器这一步骤，具体包括：
定义平行光束均匀光强分布函数和解密光强分布函数；
基于光能守恒定律，根据平行光束均匀光强分布函数和解密光强分布函数生成解密最优映射；
根据解密最优映射构建解密器。
进一步，所述基于光能守恒定律，根据平行光束均匀光强分布函数和解密光强分布函数生成解密最优映射这一步骤，具体包括：
基于光能守恒定律将平行光束均匀光强分布函数转移至解密光强分布函数，得到解密传输映射关系式；
基于成本函数将平行光束均匀光强分布函数输入至解密光强分布函数，得到解密最小化映射；
将解密最小化映射代入解密传输映射关系式，得到解密函数的MA方程；
根据传输边界条件，将平行光束均匀光强分布函数的积分域映射到解密光强分布函数的积分域，得到解密边界映射关系式；
根据解密函数的MA方程与解密边界映射关系式，得到解密最优传输映射。
进一步，所述解密函数的MA方程公式如下：
上式中，D2u是u的海森矩阵，u是解密函数，(x,y)是S的笛卡尔坐标，S是I的积分域，I是平行光束均匀光强分布函数，
是解密最小化映射的梯度，J是解密光强分布函数。
进一步，所述根据解密最优映射构建解密器这一步骤，具体包括：
根据解密最优映射得到平行光束的映射坐标和解密光强分布函数的映射坐标；
根据平行光束的映射坐标和解密光强分布函数的映射坐标，定义初始点并构造解密种子曲线；
根据解密种子曲线，构造解密自由曲面的所有点；
根据解密自由曲面的所有点坐标构建解密器。
进一步，所述基于解密器输出解密光强分布并构建加密器这一步骤，具体包括：
定义目标光强分布函数；
基于光能守恒定律，根据解密光强分布函数与目标光强分布函数生成加密最优映射；
根据加密最优映射构建加密器。
进一步，所述基于光能守恒定律，根据解密光强分布函数与目标光强分布函数生成加密最优映射这一步骤，具体包括：
基于光能守恒定律将解密光强分布函数转移至目标光强分布函数，得到加密传输映射关系式；
基于成本函数将解密光强分布函数输入至目标光强分布函数，得到加密最小化映射；
将加密最小化映射代入加密传输映射关系式，得到加密函数的MA方程；
根据传输边界条件，将解密光强分布函数的积分域映射到目标光强分布函数的积分域，得到加密边界映射关系式；
根据加密函数的MA方程与加密边界映射关系式，得到加密最优传输映射。
进一步，所述加密函数的MA方程公式如下：
上式中，D2v是v的海森矩阵，v是加密函数，(rx,ry)是R的笛卡尔坐标，R是J的积分域，J是解密光强分布函数，
是加密最小化映射的梯度，E是目标光强分布函数。
进一步，所述根据加密最优映射构建加密器这一步骤，具体包括：
根据加密最优映射得到解密光强分布函数的映射坐标和目标光强分布函数的映射坐标；
根据解密光强分布函数的映射坐标和目标光强分布函数的映射坐标，定义初始点并构造加密种子曲线；
根据加密种子曲线，构造加密自由曲面的所有点；
根据加密自由曲面的所有点坐标构建加密器。
本发明所采用的第二技术方案是：一种信息隐藏装置，包括：
解密器、加密器和光线接收板；
所述解密器用于接收平行光束均匀光强分布并输出解密光强分布；
所述加密器用于接收解密光强分布并输出目标光强分布；
所述光线接收板用于接收目标光强分布并得到隐藏信息图案；
所述解密器、所述加密器和所述光线接收板依次沿平行光束的方向排列布置。
本发明方法及系统的有益效果是：本发明利用光强分布在两个自由曲面透镜之间的重新分配的原理来实现信息隐藏；利用解密器(第一自由曲面透镜)将均匀光强分布的平行光束转换为解密光强分布，便得到具有解密光强分布的光束；该解密光强分布的光束通过定义好的加密器(第二自由曲面透镜)后在光线接收板上呈现出目标图像；由此可知，传输的加密信息不是自由曲面透镜本身，而是它的构造坐标，从而加密信息具有极高的不可感知性。
附图说明
图1是本发明一种信息隐藏方法的步骤流程图；
图2是本发明一种信息隐藏装置的结构示意图；
图3是本发明具体实施例解密器正交坐标示意图；
图4是本发明具体实施例构建解密器自由曲面示意图；
图5是本发明具体实施例加密器正交坐标示意图；
图6是本发明具体实施例构建加密器自由曲面示意图；
图7是本发明具体实施例信息隐藏装置的结构示意图；
图8是本发明具体实施例目标图案示意图；
图9是本发明具体实施例目标图案经信息隐藏装置后的示意图；
图10是本发明具体实施例有解密器的情况下解密出隐藏图像的示意图；
图11是本发明具体实施例没有解密器的情况下解密出隐藏图像的示意图。
附图标记如下：
10、待隐藏图像；20、解密器；30、加密器；40、光线接收板；50、解密钥匙。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
参照图1，本发明提供了一种信息隐藏方法，该方法包括以下步骤：
S1、根据待隐藏图像生成的平行光束均匀光强分布构建解密器；
S1.1、定义平行光束均匀光强分布函数和解密光强分布函数；
具体地，平行光束均匀光强分布函数为I(S)，其积分域为S，解密光强分布函数为J(R)，其积分域为R。
S1.2、基于光能守恒定律，根据平行光束均匀光强分布函数和解密光强分布函数生成解密最优映射；
S1.2.1、基于光能守恒定律将平行光束均匀光强分布函数转移至解密光强分布函数，得到解密传输映射关系式；
具体地，解密传输映射关系式公式如下：
∫SI(x,y)dxdy＝∫RJ(rx,ry)drxdry；
上式中，(x,y)是S的笛卡尔坐标，(rx,ry)是R的笛卡尔坐标。
基于光能守恒定律，存在无限数量的输运映射R＝φ(S)，假设φ是一对一的映射，则上式经变量分离后，得到如下关系式：
上式中，
是函数φ的雅可比矩阵的行列式。
S1.2.2、基于成本函数将平行光束均匀光强分布函数输入至解密光强分布函数，得到解密最小化映射；
具体地，φ的成本函数关系式公式如下：
C(φ)＝∫SI(x,y)|φ(x,y)-R|2dxdy；
上式中，C(φ)是φ的成本。
一般情况下，我们需要找到一个映射(x,y)，并将I(S)带到J(R)，从而使成本函数最小化；而唯一的最小化映射φ(x,y)，应该是一个凸函数的梯度，公式如下：
上式中，u是个未知变量，叫做解密函数。
S1.2.3、将解密最小化映射代入解密传输映射关系式，得到解密函数的MA方程；
具体地，解密函数的MA方程的公式如下：
上式中，D2u是解密函数u的海森矩阵。
S1.2.4、根据传输边界条件，将平行光束均匀光强分布函数的积分域映射到解密光强分布函数的积分域，得到解密边界映射关系式；
具体地，解密边界映射关系式的公式如下：
上式中，
是S的偏导数。
S1.2.5、根据解密函数的MA方程与解密边界映射关系式，得到解密最优传输映射。
具体地，通过解密函数的MA方程和解密边界映射关系式可以得到解密函数u的解，再通过取解密函数u的梯度，从而得到满足解密传输映射关系式的解密最优传输映射。
S1.3、根据解密最优映射构建解密器。
S1.3.1、根据解密最优映射得到平行光束的映射坐标和解密光强分布函数的映射坐标；
具体地，参照图3，平行光束的映射坐标为(x1(j),x2(i))，解密光强分布函数的映射坐标为(rx(j),ry(i))，其z方向的坐标为常数。
S1.3.2、根据平行光束的映射坐标和解密光强分布函数的映射坐标，定义一个初始点，构造两条解密种子曲线；
具体地，沿着x1＝0(j＝1)和x2＝0(i＝1)上的边界构造两条解密种子曲线C1和C2，定义一个初始点P1,1；取解密种子曲线C1上的一已知点P1,j，得到其出射点O1,j，公式如下：
上式中，1为x2方向上的第1个坐标，j为x1方向上的第j个坐标。
根据折射定律，得到该点的法向量N1,j：
上式中，ni为光线入射时的折射率，n0为折射材料的折射率。
同理可得解密种子曲线C2上已知点Pi,1的出射点Oi,1和法向量Ni,1，公式如下：
假设两个相邻入射线之间的距离足够小，则可以将切平面P1,j与入射线I1,j+1的交点，视为种子曲线C1上的下一个点P1,j+1，迭代公式为：
同理，可得种子曲线C2上的下一个点Pi+1,1：
S1.3.3、参照图4，根据解密种子曲线，构造解密自由曲面的所有点；
具体地，获取在Pi,j处出现的射线向量在Oi,j的表达式：
其中，在Pi,j处的单位入射光向量为Ii,j＝(Ix,Iy,Iz)；
构建两个方向向量V1和V2来描述Pi,j点处的法向量Ni,j，则在Pi,j点处的法向量Ni,j点处的法向量为：
根据在Pi,j点处的折射定律，得到解密自由曲面上的其它点，具体操作如下：
在Pi,j点处的折射定律如下：
令
简化得标量形式的公式：
利用牛顿法求解上述方程可得解密自由曲面上的所有坐标点。
S1.3.4、根据解密自由曲面的所有点坐标构建解密器。
S2、基于解密器输出解密光强分布并构建加密器；
S2.1、定义目标光强分布函数；
具体地，目标光强分布函数为E(T)，其积分域为T。
S2.2、基于光能守恒定律，根据解密光强分布函数与目标光强分布函数生成加密最优映射；
S2.2.1、基于光能守恒定律将解密光强分布函数转移至目标光强分布函数，得到加密传输映射关系式；
具体地，加密传输映射关系式公式如下：
∫RJ(rx,ry)drxdry＝∫TE(tx,ty)dtxdty；
上式中，(rx,ry)是R的笛卡尔坐标，(tx,ty)是T的笛卡尔坐标。
基于光能守恒定律，存在无限数量的输运映射
假设
是一对一的映射，则上式经变量分离后，得到如下关系式：
上式中，
是函数
的雅可比矩阵的行列式。
S2.2.2、基于成本函数将解密光强分布函数输入至目标光强分布函数，得到加密最小化映射；
具体地，
的成本函数关系式公式如下：
上式中，
是
的成本。
一般情况下，我们需要找到一个映射(rx,ry)，并将J(R)带到E(T)，从而使成本函数最小化；而唯一的最小化映射
应该是一个凸函数的梯度，公式如下：
上式中，v是个未知变量，叫做加密函数。
S2.2.3、将加密最小化映射代入加密传输映射关系式，得到加密函数的MA方程；
具体地，加密函数的MA方程的公式如下：
上式中，D2v是加密函数v的海森矩阵。
S2.2.4、根据传输边界条件，将解密光强分布函数的积分域映射到目标光强分布函数的积分域，得到加密边界映射关系式；
具体地，加密边界映射关系式的公式如下：
上式中，
是R的偏导数。
S2.2.5、根据加密函数的MA方程与加密边界映射关系式，得到加密最优传输映射。
具体地，通过加密函数的MA方程和加密边界映射关系式可以得到加密函数v的解，再通过取加密函数v的梯度，从而得到满足加密传输映射关系式的加密最优传输映射。
S2.3、根据加密最优映射构建加密器。
S2.3.1、根据加密最优映射得到解密光强分布函数的映射坐标和目标光强分布函数的映射坐标；
具体地，参照图5，解密光强分布函数的映射坐标为
目标光强分布函数的映射坐标为(tx(j),ty(i))，其z方向的坐标为常数。
S2.3.2、根据解密光强分布函数的映射坐标和目标光强分布函数的映射坐标，定义一个初始点，构造两条加密种子曲线；
具体地，沿着
和
上的边界构造两条解密种子曲线D1和D2，定义一个初始点Q1,1；取解密种子曲线D1上的一已知点Q1,j，得到其出射点K1,j，公式如下：
上式中，1为
方向上的第1个坐标，j为
方向上的第j个坐标。
根据折射定律，得到该点的法向量M1,j：
上式中，ni为光线入射时的折射率，n0为折射材料的折射率。
同理可得解密种子曲线D2上已知点Qi,1的出射点Ki,1和法向量Mi,1，公式如下：
假设两个相邻入射线之间的距离足够小，则可以将切平面Q1,j与入射线O1,j+1的交点，视为种子曲线D1上的下一个点Q1,j+1，迭代公式为：
同理，可得种子曲线D2上的下一个点Qi+1,1：
S2.3.3、参照图6，根据加密种子曲线，构造加密自由曲面的所有点；
具体地，获取在Qi,j处出现的射线向量在Ki,j的表达式：
其中，在Qi,j处的单位入射光向量为Oi,j＝(Ox,Oy,Oz)；
构建两个方向向量
和
来描述Qi,j点处的法向量Mi,j，则在Qi,j点处的法向量Mi,j点处的法向量为：
根据在Qi,j点处的折射定律，得到解密自由曲面上的其它点，具体操作如下：
在Qi,j点处的折射定律如下：
令
简化得标量形式的公式：
利用牛顿法求解上述方程可得解密自由曲面上的所有坐标点。
S2.3.4、根据加密自由曲面的所有点坐标构建加密器。
S3、基于加密器输出目标光强分布并通过光线接收板吸收光线，得到隐藏信息图案。
基于以上所述一种信息隐藏方法，本发明还公开了一种自由曲面透镜的加工方法。
根据上述所得到的自由曲面坐标点导入犀牛建模软件，通过建模便可得到一种自由曲面透镜的模型。利用该模型，通过CNC磨削、研磨和抛光制备金属模具，通过注塑成型的工艺，制备出一种以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为材料的自由曲面光学透镜。
参照图2，一种信息隐藏装置，包括：
解密器20、加密器30和光线接收板40；
所述解密器20用于接收平行光束均匀光强分布并输出解密光强分布；
所述加密器30用于接收解密光强分布并输出目标光强分布；
所述光线接收板40用于接收目标光强分布并得到隐藏信息图案；
所述解密器20、所述加密器30和所述光线接收板40依次沿平行光束的方向排列布置。
在应用过程中，参照图7，根据待隐藏图像10生成的平行光束均匀光强分布经过解密器20后形成解密光强分布，该解密光强分布可以通过解密钥匙50呈现，当且仅当解密钥匙50进入加密器30时，才能形成目标光强分布，通过光线接收板40对光线的吸收，便可呈现出所隐藏的信息图案。
需要注意的是，如果待隐藏图像10本身无法发出平行光束，可以采用平行光机构，待隐藏图像10通过平行光机构生成平行光束均匀光强分布。
其中，产生平行光方法和接收成像的方法并不唯一，譬如，产生平行光的方法可以通过将一个待隐藏图像10放在透镜的焦平面上，光源从透镜焦平面上发出的光线经透镜后将成为平行光；又或者通过平行光管产生平行光；接收成像的方法可以通过加密器30后产生目标光强分布，此时落在光屏上，通过目标光强分布，则光屏上可以呈现出所隐藏的信息图案；光线接收板40可以是类似于光屏这种接收光线成像的装置。
由图8、图9、图10和图11可知，使用本装置使得加密信息具有极高的不可感知性。
上述方法实施例中的内容均适用于本装置实施例中，本装置实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种信息隐藏方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据待隐藏图像生成的平行光束均匀光强分布构建解密器；
基于解密器输出解密光强分布并构建加密器；
基于加密器输出目标光强分布并通过光线接收板吸收光线，得到隐藏信息图案。
2.根据权利要求1所述一种信息隐藏方法，其特征在于，所述根据待隐藏图像生成的平行光束均匀光强分布构建解密器这一步骤，具体包括：
定义平行光束均匀光强分布函数和解密光强分布函数；
基于光能守恒定律，根据平行光束均匀光强分布函数和解密光强分布函数生成解密最优映射；
根据解密最优映射构建解密器。
3.根据权利要求2所述一种信息隐藏方法，其特征在于，所述基于光能守恒定律，根据平行光束均匀光强分布函数和解密光强分布函数生成解密最优映射这一步骤，具体包括：
基于光能守恒定律将平行光束均匀光强分布函数转移至解密光强分布函数，得到解密传输映射关系式；
基于成本函数将平行光束均匀光强分布函数输入至解密光强分布函数，得到解密最小化映射；
将解密最小化映射代入解密传输映射关系式，得到解密函数的MA方程；
根据传输边界条件，将平行光束均匀光强分布函数的积分域映射到解密光强分布函数的积分域，得到解密边界映射关系式；
根据解密函数的MA方程与解密边界映射关系式，得到解密最优传输映射。
4.根据权利要求3所述一种信息隐藏方法，其特征在于，所述解密函数的MA方程公式如下：
上式中，D2u是u的海森矩阵，u是解密函数，(x,y)是S的笛卡尔坐标，S是I的积分域，I是平行光束均匀光强分布函数，
是解密最小化映射的梯度，J是解密光强分布函数。
5.根据权利要求2所述一种信息隐藏方法，其特征在于，所述根据解密最优映射构建解密器这一步骤，具体包括：
根据解密最优映射得到平行光束的映射坐标和解密光强分布函数的映射坐标；
根据平行光束的映射坐标和解密光强分布函数的映射坐标，定义初始点并构造解密种子曲线；
根据解密种子曲线，构造解密自由曲面的所有点；
根据解密自由曲面的所有点坐标构建解密器。
6.根据权利要求1所述一种信息隐藏方法，其特征在于，所述基于解密器输出解密光强分布并构建加密器这一步骤，具体包括：
定义目标光强分布函数；
基于光能守恒定律，根据解密光强分布函数与目标光强分布函数生成加密最优映射；
根据加密最优映射构建加密器。
7.根据权利要求6所述一种信息隐藏方法，其特征在于，所述基于光能守恒定律，根据解密光强分布函数与目标光强分布函数生成加密最优映射这一步骤，具体包括：
基于光能守恒定律将解密光强分布函数转移至目标光强分布函数，得到加密传输映射关系式；
基于成本函数将解密光强分布函数输入至目标光强分布函数，得到加密最小化映射；
将加密最小化映射代入加密传输映射关系式，得到加密函数的MA方程；
根据传输边界条件，将解密光强分布函数的积分域映射到目标光强分布函数的积分域，得到加密边界映射关系式；
根据加密函数的MA方程与加密边界映射关系式，得到加密最优传输映射。
8.根据权利要求7所述一种信息隐藏方法，其特征在于，所述加密函数的MA方程公式如下：
上式中，D2v是v的海森矩阵，v是加密函数，(rx,ry)是R的笛卡尔坐标，R是J的积分域，J是解密光强分布函数，
是加密最小化映射的梯度，E是目标光强分布函数。
9.根据权利要求6所述一种信息隐藏方法，其特征在于，所述根据加密最优映射构建加密器这一步骤，具体包括：
根据加密最优映射得到解密光强分布函数的映射坐标和目标光强分布函数的映射坐标；
根据解密光强分布函数的映射坐标和目标光强分布函数的映射坐标，定义初始点并构造加密种子曲线；
根据加密种子曲线，构造加密自由曲面的所有点；
根据加密自由曲面的所有点坐标构建加密器。
10.一种信息隐藏装置，其特征在于，包括：
解密器、加密器和光线接收板；
所述解密器用于接收平行光束均匀光强分布并输出解密光强分布；
所述加密器用于接收解密光强分布并输出目标光强分布；
所述光线接收板用于接收目标光强分布并得到隐藏信息图案；
所述解密器、所述加密器和所述光线接收板依次沿平行光束的方向排列布置。
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