CN115695674A - 数字图像加密传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种数字图像加密传输系统，加密部分包括：图像接收模版、存储队列、图像压缩模块、图像加密模块、监控模块、光束成形微光学元件、衍射光栅模块。所述衍射光栅模块包括可移动梁以及固定梁两部分；解密模块包括：复共轭衍射光栅模版、COMS相机、图像解密模块、图像重构模块。复共轭衍射光栅模块也包括可移动梁以及固定梁两部分，该模块设计为根据衍射光栅模块所加电压，可移动梁产生位移引起相位变换，变换的相位与衍射光栅模块中产生的相位为复共轭关系，实现对置乱图像信号的解密。该系统以光电结合完成对图像的加密，置乱，产生两个密钥，在一定程度上提高了数字图像的安全性，并通过使用压缩感知采样方式缩减了图像处理时间。

Description

数字图像加密传输系统

技术领域

本申请涉及图像处理领域，具体涉及彩色数字图像加密技术领域。

背景技术

随着信息技术的不断发展，各种各样的信息如图片、视频等可以通过网络进行方便快捷地传输，数字图像在军事、医疗、商业等各个领域都有应用，人们的日常生活和工作学习也越来越离不开网络和信息系统。因此图像信息安全尤为重要。

现在人们越来越多得通过使用社交软件来进行图像的传递或将一些重要照片上传到云端。在快节奏时代的当下，人们希望传输过程需要等待的时间越短越好。随着图像传输量的不断增加，人们往往会担心自己所发送的信息是否会被不良分子利用。对加密系统的要求也变得越来越高。光具有波长短，信息容量大，处理速度相较于传统数字加密更快、可进行如干涉、衍射等变换的特点，使得光学加密在图像加密领域成为图像加密领域中的一个很重要的课题。

传统的图像加密方式有：基于图像置乱的加密技术、基于DNA计算的图像加密技术等图像加密技术，传统的加密技术逐渐无法满足现代社会对于安全性以及处理速度的要求。此外计算机计算能力的提升,基于传统加密算法的信息安全技术安全性受到挑战。

现有新型图像加密方式多样，包括混沌系统、彩码加密系统、双随机相位加密系统等。混沌系统的安全性越高，但对于混沌同步的要求就越精准即对系统的性能要求就越苛刻。此外，系统中所造成的噪声积累，都会引起系统同步质量的下降，进一步增大了混沌系统同步的困难。因此混沌系统虽对数字图像加密所得到加密图像效果较好，但高维混沌系统计算时间长，对于满足加密系统对传输速度的要求存在一定的难度。彩码加密系统是将彩色图像表示为一串二进制数来进行表示，进过Arnold变换后可对产生的彩码进行乱置加密，对图像进行解码的密钥是置乱的次序。对彩色图像直接通过彩码表示一定程度上增加了存储容量，降低了处理速度。双随机相位编码光学加密系统是最基本的光学加密系统，根据时空二元性原理，由两块随机相位板与两个傅里叶变换透镜构成进行图像加密。由于双随机相位编码属于线性加密体制，无法抵抗已知明文攻击。双随机相位编码的安全性能较为不突出。

但是，在光学加密过程中加密过程较为复杂，因此有人提出将压缩感知理论引入到光学加密系统中。多媒体数据具有很高的冗余性，图像作为多媒体数据的一种常见的呈现形式，有效的去除图像冗余可以在一定程度上降低光学加密过程的复杂性。压缩感知理论探索在更低的采样率下，如何实现相同的信号重构精度。压缩感知技术自提出以来在各个领域都有广泛应用。压缩感知理论利用远低于奈奎斯特采样定理所需的采样数去恢复原始信号，可以利用极少的采样信号恢复出原始信号。尽管利用压缩感知框架可以对信号同时实现压缩和加密，但是由于测量矩阵的固有特性，只依赖于传统压缩感知技术的图像加密方案不能抵抗选择明文攻击。

如何提供一种安全性好和处理速度快的加密系统是本领域技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种数字图像加密传输系统。本发明的技术方案如下：

一种数字图像加密传输系统，其包括：数字图像加密系统和图像解密系统，所述数字图像加密系统包括图像接收模块、存储队列、图像压缩模块，图像加密模块、监控模块、光束成形微光学元件、衍射光栅模块，其中，所述图像接收模块用于读入待处理图像并为每一帧赋帧头标记，存储队列用于根据待处理图像的图像类型进行分类存储；

图像压缩模块，用于对所述待压缩的图像执行压缩操作得到压缩后的图像数据，并将所述压缩后的图像数据传输到所述图像加密模块；

图像加密模块，用于加密压缩后的图像数据，将加密图像信息读入光调制器中，对激光器产生的光进行调制；

所述衍射光栅模块包括可移动梁以及固定梁两部分，其中移动梁根据所加电压产生相应位移量，相位也随之发生改变。当信号光照射在衍射光栅模块时，对图像进行一次置乱；

监控模块用于实时查看图像接收模块状态即图像接收模块是否快速准确地判断当前帧图像类型准确输送到相应的存储队列，保证后续执行步骤执行；

光束成形微光学元件用于将完成调制的光耦合进输入端口；

所述图像解密系统包括：复共轭衍射光栅模块、COMS相机、图像解密模块、图像重构模块；其中，

复共轭衍射光栅模块，包括可移动梁以及固定梁两部分，该模块设计为根据衍射光栅模块所加电压，可移动梁产生位移引起相位变换，变换的相位与衍射光栅模块中产生的相位为复共轭关系，实现对置乱的图像信号进行解密；

CMOS相机，用于将调制后的光信息读入数字图像处理系统中；

图像解密模块，用于根据密钥完成解密；

图像重建模块，用于对解密后的图像重建，并对得到图像按照顺序排序输出。

进一步的，图像接收模块将所述待处理图像读入到系统中，根据图像的类型分为黑白图像、彩色图像以及灰度图像三类；通过图像接收模块判断出待处理图像的类型，分别传输到第一存储队列或第二储存列中进行存储；第一存储队列用于存储黑白图像信息以及灰度图像信息，第二存储队列用于存储彩色图像信息；图像压缩模块A读取第一存储队列里传输的图像，对所述待压缩的图像利用压缩感知理论进行压缩操作得到所述压缩后的图像数据；图像压缩模块B读取第二存储队列里传输的图像，先将彩色图像转换为灰度图像后再进行压缩操作。

进一步的，所述图像压缩模块根据帧头标记逐帧进行压缩，采用压缩感知理论进行图像采样减少所需处理的数据量；图像压缩模块A设计为直接对图像进行压缩，图像压缩模块B先将彩色图像转换为灰度图像后进行图像压缩操作。

进一步的，所述衍射光栅模块为相位敏感型光栅，可移动梁发生偏转后，光栅的相位轮廓改变，对入射光进行相位调制。

进一步的，所述复共轭衍射光栅的相位信息根据衍射光栅模块的相位的改变而改变，与衍射光栅模块的相位互为复共轭关系，实现对进行相位调制加密后的图像完成相位解密的功能。

进一步的，所述图像加密模块根据帧头标记确定图像顺序，从相应的图像压缩模块中读取待加密图像。

进一步的，所述图像重建模块对当前帧进行图像重建得到图像，根据帧头信息判断原始图像是否为彩色图像，是则对重建后的灰度图像转换为彩色图像；帧头标记同时也被用来判断每帧图像顺序位置对重建图像进行排序后输出。

进一步的，所述图像解密模块接收COMS相机传输的数字图像信息，根据图像加密模块中Arnold变换的置乱次序，对图像进行第二次解密；图像重建模块对完成二次解密的图像进行重建，根据每帧图像的帧头标记判断当前图像的原始图像是否为彩色图像；当判断为彩色图像时，则需要将重建后图像恢复为彩色图像，当判断为灰度图像或黑白图像时，无需任何操作；图像重建模块同时根据帧头标记对得到图像按照图像接收模块读入顺序进行排列输出。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明的创新主要是：图像压缩模块A、图像压缩模块B采用压缩感知理论进一步降低了现有奈奎斯特采样理论下的多媒体数据的冗余性，可以进一步提高数据处理速度。低冗余性的处理后数据配合图像加密模块可以缩减数据加密时间，在短时间内将所需传输的信息写入光路中。在后续光路中配合衍射光栅模块，采用加密时间相较于电学加密更短的光学加密方法对传输数据进行第二次加密，在短时间内提高了数据的安全性，这更能满足对信息传输对传输时间以及安全性的要求。其中图像接收模块为多媒体数据赋上帧头标记，可以在一定程度上保证解密后图像信息在图像重建模块排列准确，避免了传输过程中数据紊乱所造成解码后得到乱码信息的情况，提高了数据传输的准确性。衍射光栅模块以及复共轭衍射光栅模块采用移动梁、固定梁结构，而非传统的固定结构式衍射光栅，一定程度上提高了本系统的使用的自由度。用户可以根据不同需求通过对衍射光栅移动梁上电压参数更改以实现对光信号进行不同的相位加密。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例一种数字图像加密传输系统结构示意图；

图2为本申请所提供的一种数字图像解密系统结构示意图。

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、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

如图1-2所示，一种数字图像加密传输系统，包括：图像接收模块、存储队列、图像压缩模块，图像加密模块、监控模块、光束成形微光学元件、衍射光栅模块。

图像接收模块将所述待处理图像读入到系统中。根据图像的类型可以分为黑白图像、彩色图像以及灰度图像三类。本系统通过图像接收模块判断出待处理图像的类型，分别传输到第一存储队列或第二储存列中进行存储。第一存储列主要用于存储黑白图像信息以及灰度图像信息，第二存储队列用于存储彩色图像信息。图像压缩模块A读取第一存储队列里传输的图像，对所述待压缩的图像利用压缩感知理论进行压缩操作得到所述压缩后的图像数据。图像压缩模块B读取第二存储队列里传输的图像，先将彩色图像转换为灰度图像后再进行压缩操作。图像加密模块采用Arnold变换对压缩后的图像进行数字加密操作。完成加密的图像信息被写入空间光调制器中，对激光发射的光进行调制。调制光通过对相位敏感的衍射光栅，对信号光的相位进行调制。通过光束成形微光学元件对将已调光信号耦合进输入端口。

所述图像解密系统，包括：复共轭衍射光栅模块、COMS相机、图像解密模块、图像重构模块。

所述含处理后图像信息的信息光经过传输后通过输出端口输出信号光。复共轭衍射光栅模块接收图像加密部分衍射光栅所加电压信息，生成相应电信号，使可移动梁发生位移，产生与衍射光栅模块相位互为复共轭关系的相位。信号光通过移动后的复共轭衍射光栅模块，对信息光进行复共轭相位调制。调制后的光信息通过CMOS相机读入数字图像解密系统中，图像解密模块接收Arnold变换的置乱次序，对图像进行解密。图像重建模块将压缩的图像进行重建，根据每帧图像帧头标记，将原为彩色图像的重建后图像图像恢复为彩色，同时根据帧头标记对得到图像按照一定顺序排列输出。

优选的，所述图像压缩模块根据帧头标记按帧进行压缩，采用压缩感知理论进行图像采样减少所需处理的数据量。图像压缩模块A设计为直接对图像进行压缩，图像压缩模块B需先对将彩色图像转换为灰度图像后进行图像压缩操作。

优选的，所述监控模块可实时查看图像接收模块状态即图像接收模块是否快速准确地判断当前帧图像类型准确输送到相应的存储队列，保证后续执行步骤执行。

优选的，所述衍射光栅模块为相位敏感型光栅，可移动梁发生偏转后，光栅的相位轮廓改变，对入射光进行相位调制。

优选的，所述的复共轭衍射光栅，其相位信息根据衍射光栅模块的相位的改变而改变，与衍射光栅模块的相位互为复共轭关系，实现对进行相位调制加密后的图像完成相位解密的功能。

优选的，所述图像接收模块在判断当前帧图像类型时，还用于在每一帧的帧头进行标记。

优选的，所述图像加密模块根据帧头标记确定图像顺序，从相应的图像压缩模块中读取待加密图像。

优选的，所述第一存储队列设计为存储黑白图像、灰度图像，所述第二存储队列设计为接收彩色图像。

优选的，所述图像重建模块对当前帧进行图像重建得到图像，根据帧头信息判断原始图像是否为彩色图像，是则对重建后的灰度转换为彩色图像。帧头标记同时也被用来判断每帧图像顺序位置对重建图像进行排序后输出。

图像接收模块将图片进行分类，不同存储队列分别存储不同的图片类型，提高了数字图像处理速度。图像压缩版块采用压缩感知理论，用于对图像进行压缩，缩短了图像处理所需时间，降低了处理数据量。

图像压缩模块对读入的每一帧图像进行压缩，压缩后的图片按照所标记的帧头标记依次通过图像加密模块进行加密处理，保证了图像的前后次序，以及每一帧图像的完整性，提高了图像处理系统的可靠性。

本申请的核心是提供一种数字图像加密传输系统，该系统应用于数字图像处理系统中时，在保证一定的安全性的基础上，提高图像处理速度。

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的描述：

如图1中数字图像处理系统部分，包括图像接收模版1、第一存储队列2、第二存储队列3、图像压缩模块A4、图像压缩模块B5、图像加密模块6、监控模块15。图像接收模块1将所述待处理图像读入到数字图像处理系统中。图像接收模块1根据当前帧的图像类型传输到相应的存储队列中，同时为所读入当前帧的帧头做上标记。第一存储列2主要用于存储黑白图像信息以及灰度图像信息，第二存储队列3用于存储彩色图像信息。存储于第一存储队列2的图像信息传输到图像压缩模块A4中，直接对黑白图像以及灰度图像利用压缩感理论采样，完成对图像的压缩。储存于第二存储队列3中图像信息传输到图像压缩模块B5中先将彩色图像转换为灰度图，对灰度图像利用压缩感知理论进行压缩操作得到压缩后的图像数据。图像加密模块6根据每帧图像的帧头标记按照图像接收模块1读入顺序从相应的图像压缩模块A4/B5中读入，采用Arnold变换进行图像加密操作。完成加密的图像信息被写入到空间光调制器8中。监控模块15实时记录图像接收模块1的工作状态信息，可随时查看，确保系统正常运行

如图1中光学加密传输部分，包括光束成形微光学元件10、激光光源7、空间光调制器8、衍射光栅9。激光器7作为光源，产生激光照射载有压缩加密图像信息的空间光调制器8。透射式空间光调制器8对激光光源进行调制，生成含有图像信息的信号光。对衍射光栅模块9两端输入特定电压使可移动梁产生位移。调制后的信号光通过完成位移的衍射光栅9，对信号光的相位进行相位调制，完成对图像的光学加密。光束成形微光学元件10将加密后的信号光耦合进输入端口。

如图2中光学接收解密部分，包括复共轭衍射光栅模块11、COMS相机12。信息光通过输出端口输出，传播一段距离后入射到复共轭衍射光栅模块11。此时复共轭衍射光栅模块11已根据图1数字图像加密传输系统中衍射光栅模块9所加电压信息，生成相应电信号，使可移动梁发生位移，使所产生的相位与衍射光栅模块相位互为复共轭关系。信号光通过复共轭衍射光栅模块，对信息光进行复共轭相位调制，对光信号进行解密。完成一次解密的光信息通过CMOS相机12读入数字图像解密部分中。

如图2中数字图像解密部分，包括图像解密模块13、图像重构模块14。CMOS相机12将接收到的光信号信息转换为数字信息，图像解密模块13接收COMS相机12传输的数字图像信息，根据图1数字图像加密传输系统中图像加密模块6中Arnold变换的置乱次序，对图像进行第二次解密。图像重建模块14对完成二次解密的图像进行重建，根据每帧图像的帧头标记判断当前图像的原始图像是否为彩色图像。当判断为彩色图像时，则需要将重建后图像恢复为彩色图像，当判断为灰度图像或黑白图像时，无需任何操作。图像重建模块14同时根据帧头标记对得到图像按照图1数字图像加密传输系统图像接收模块1读入顺序进行排列输出。

上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (9)

1.一种数字图像加密传输系统，其特征在于，包括：数字光电加密系统和图像解密系统，所述数字光电加密系统包括图像接收模块、存储队列、图像压缩模块、图像加密模块、监控模块、光束成形微光学元件、衍射光栅模块，其中，所述图像接收模块用于读入待处理图像并赋上帧头标记，存储队列用于根据待处理图像的图像类型进行分类存储；

图像压缩模块，用于对所述待压缩的图像执行压缩操作得到压缩后的图像数据，并将所述压缩后的图像数据传输到所述图像加密模块；

图像加密模块，用于加密压缩后的图像数据，将加密图像信息读入光调制器中，对激光器产生的光进行调制；

所述衍射光栅模块包括可移动梁以及固定梁两部分，其中移动梁根据所加电压产生相应位移量，相位也随之发生改变。当信号光照射在衍射光栅模块时，对图像进行一次置乱；

监控模块用于实时查看图像接收模块状态即图像接收模块是否快速准确地判断当前帧图像类型并准确输送到相应的存储队列，保证后续执行步骤执行；

光束成形微光学元件用于将完成调制的光耦合进输入端口；

所述图像解密系统包括：复共轭衍射光栅模块、COMS相机、图像解密模块、图像重构模块；其中，

复共轭衍射光栅模块，包括可移动梁以及固定梁两部分，该模块设计为根据衍射光栅模块所加电压，可移动梁产生位移引起相位变换，变换的相位与衍射光栅模块中产生的相位为复共轭关系，实现对置乱的图像信号的解密；

CMOS相机，用于将调制后的光信息读入数字图像处理系统中；

图像解密模块，用于根据密钥完成解密；

图像重建模块，用于对解密后的图像重建，并对得到图像按照顺序排序输出。

2.根据权利要求1所述的一种数字图像加密传输系统，其特征在于，图像接收模块将所述待处理图像读入到系统中，根据图像的类型分为黑白图像、彩色图像以及灰度图像三类；通过图像接收模块判断出待处理图像的类型，分别传输到第一存储队列或第二储存列中进行存储；第一存储队列用于存储黑白图像信息以及灰度图像信息，第二存储队列用于存储彩色图像信息；图像压缩模块A读取第一存储队列里传输的图像，对所述待压缩的图像利用压缩感知理论进行压缩操作得到所述压缩后的图像数据；图像压缩模块B读取第二存储队列里传输的图像，先将彩色图像转换为灰度图像后再进行压缩操作。

3.根据权利要求2所述的一种数字图像加密传输系统，其特征在于，所述图像压缩模块根据帧头标记按帧进行压缩，采用压缩感知理论进行图像采样减少所需处理的数据量；图像压缩模块A设计为直接对图像进行压缩，图像压缩模块B先对将彩色图像转换为灰度图像后进行图像压缩操作。

4.根据权利要求1所述的一种数字图像加密传输系统，其特征在于，所述衍射光栅模块为相位敏感型光栅，由可移动梁及固定梁两部分组成；其中移动梁根据所加电压产生相应位移量，可移动梁发生偏转后，光栅的相位轮廓改变，对入射光进行相位调制；当信号光照射在衍射光栅模块时，对图像进行一次置乱。

5.根据权利要求4所述的一种数字图像加密传输系统，其特征在于，所述复共轭衍射光栅由可移动梁及固定梁两部分组成，其相位信息根据衍射光栅模块的相位改变而改变，与衍射光栅模块的相位互为复共轭关系，实现对进行相位调制加密后的图像完成相位解密的功能。

6.根据权利要求2所述的一种数字图像加密传输系统，其特征在于，所述图像接收模块在判断当前帧图像类型时，是通过在每一帧的帧头进行标记来判断帧图像类型的。

7.根据权利要求6所述的一种数字图像加密传输系统，其特征在于，所述图像加密模块根据帧头标记确定图像顺序，从相应的图像压缩模块中读取待加密图像。

8.根据权利要求1所述的一种数字图像加密传输系统，其特征在于，所述图像重建模块对当前帧进行图像重建得到图像，根据帧头信息判断原始图像是否为彩色图像，是则对重建后的灰度转换为彩色图像；帧头标记同时也被用来判断每帧图像顺序位置对重建图像进行排序后输出。

9.根据权利要求1所述的一种数字图像加密传输系统，其特征在于，所述图像解密模块接收COMS相机传输的数字图像信息，根据图像加密模块中Arnold变换的置乱次序，对图像进行第二次解密；图像重建模块对完成二次解密的图像进行重建，根据每帧图像的帧头标记判断当前图像的原始图像是否为彩色图像；当判断为彩色图像时，则需要将重建后图像恢复为彩色图像，当判断为灰度图像或黑白图像时，无需任何操作；图像重建模块同时根据帧头标记对得到图像按照图像接收模块读入顺序进行排列输出。

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