一种基于光学涡旋的数字图像加密和解密方法技术

一种基于光学涡旋的数字图像加密和解密方法，该方法加解密结构简单，而加解密的密钥复杂，具有原理简洁、安全性高的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种数字图像加密和解密方法，属于信息安全领域和图像处理领域，具体说的是一种基于光学涡旋的数字图像加密和解密方法。
技术介绍
现代社会是信息化的时代，生产生活的各个应用领域都愈加依赖信息，加密和解密技术对金融、通信、国防及个人信息安全都具有重要的现实意义。1995年由P．Refregier和B．Javidi首次提出双随机相位编码技术。对于简化模型里是只在4f系统的频谱面放一块掩模板。但是通常情况下。为了提高加密的安全性，是在输入面和频谱面加入两块统计无关的随机相位掩模板。用这种方法可以将图像加密为高斯白噪声。两块儿相位掩模板可以看作加密的密钥。解密可以看作加密的逆过程，在4f系统的频谱面和输出面分别放上原频谱面和输入面的共轭相位掩模板。基于4f系统的特殊性能，在解密的过程中只有用到完全相同的4f系统并在正确的位置放置相应的共轭相位掩模板，才能准确的得到图像的信息，因此加密的安全性很高。有些加密技术在主动密文攻击下，作为密钥的随机相位板能被完全破译，安全性令人怀疑。经文献检索，专利“基于分数梅林变换的光学图像加密方法”(授权号为ZL201010616865.2，授权日为2012.05.02)，通过分数梅林变换实现对图像的非线性变换加密，提高加密系统的安全性，不足之处是该方法加密过程复杂，实时性较差；专利“一种基于分数阶傅立叶变换的双图加密方法”(授权号为ZL200710176678.5，授权日为2011.02.16)，该方法可将两幅图像加密为一幅图像，用于同时保密存储和传输两幅图像，这样就使得其应用领域相对较窄；专利“一种双随机相位光学彩色图像加密装置及方法”(公开号为CN 102087503 A，公开日为2011.06.08)，该专利技术采用联合分数变换进行加密，灵活性较好，但其加解密装置比较复杂，限制了其应用范围。分析可知，在现有公开的文献资料中，在对光学图像的加密方法的研究方面，尚缺少加密结构简洁、密钥安全性高的图像加密方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决上述技术问题的不足，提供一种基于相位涡旋的4f系统图像加密和解密方法，该方法加解密结构简单，而加解密的密钥复杂，具有原理简洁、安全性高的优点。      为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种基于光学涡旋的数字图像加密和解密方法，包括如下步骤，A、加密步骤：（1）生成与待加密图像f(x,y)大小相同的三幅互不相关的随机散斑图I1(x,y)、I2(x,y)、I3(x,y)；（2）利用拉盖尔-高斯复数滤波器对这三幅随机散斑图I1(x,y)、I2(x,y)、I3(x,y)进行滤波，获得其复振幅分布后得到位于(-p, p]间的相位分布矩阵P1(x,y)、P2(x,y)、P3(x,y)；原散斑图光强为0的点，由于其对应的相位不确定，该点称为光学涡旋，在这三个相位分布矩阵中对应位置的元素为空；（3）计算出相位分布矩阵P1(x,y)、P2(x,y)、P3(x,y)中每个相位涡旋核结构的旋度值，进行归一化处理，利用归一化后的旋度值去替换原矩阵中光学涡旋点的元素，其余元素用0填充，得到其旋度值分布矩阵V1(x,y)、V2(x,y)、V3(x,y)；（4）将三个旋度值分布矩阵V1(x,y)、V2(x,y)、V3(x,y)分别点乘2p后，再减去p；变换为相位分布位于(-p, p]区间的矩阵V4(x,y)、V5(x,y)、V6(x,y)；（5）将矩阵V4(x,y)、V5(x,y)、V6(x,y)与矩阵P1(x,y)、P2(x,y)、P3(x,y)进行叠加，得到了安全性高的复杂相位掩模板P4(x,y)、P5(x,y)、P6(x,y)；（6）基于4f光学系统对待加密图像f(x,y)进行加密；将掩模板P4(x,y)置于物平面，复合后输入图像f(x,y)转变为白噪声；将空域图像变为高斯白噪声；在频谱面加入第二、第三个随机相位板P4(x,y)和P5(x,y)，最后在输出平面得到加密后的图像y(x,y)，B、解密步骤：（1）将相位掩模板P5(x,y)、P6(x,y)进行共轭变换后，得到P7(x,y)、P8(x,y)，其中，“*”表示取复共轭；（2）在解密系统即4f光学系统下，将加密图像y(x,y)取复共轭y*(x,y)后置于解密系统的物平面，将相位掩模板P7(x,y)、P8(x,y)置于解密系统的频谱平面；（3）加密图像y(x,y)经第一个透镜的傅里叶变换后，在频谱面与相位掩模板的共轭相乘后，再经过第二个透镜的傅里叶逆变换得到解密后的图像，其数学关系为，其中，FT表示傅里叶变换；IFT表示傅里叶逆变换；（4）最终，得到了解密后的图像g(x,y)。本专利技术的具体工作原理如下：本专利技术的基本结构仍采用了4f光学图像加密方法，所不同的是由典型的双随机相位编码技术改为三明治结构的三个随机相位进行编码，其中，一个随机相位掩模板置于输入平面，另外两个随机相位掩模板置于频谱面。由于基于4f系统的双随机相位编码技术为公知技术，该原理部分重点介绍三个随机相位掩模板的生成过程。这三个随机相位掩模板是加密系统的密钥，其生成过程如下：首先，由计算机生成三幅强度互不相关的散斑图I1(x,y)、I2(x,y)、I3(x,y)，这三幅散斑图的大小与待加密图像f(x,y)大小一致；由于散斑强度图像I1(x,y)、I2(x,y)、I3(x,y)中不包含相位信息，因此，本专利技术首先通过拉盖尔-高斯复数滤波器将光强分布变为相位分布矩阵，                (1)其中，为频率域的拉盖尔-高斯滤波器，定义为                          (2)(2)式中，分别为方向的频率，w为滤波器带宽。原散斑图光强为0的点，由于其对应的相位不确定，该点称为光学涡旋，在这三个相位分布矩阵中对应位置的元素为空；每个相位涡旋都可以利用其旋度来表征[Phys. Rev. Lett. 94, 103902 (2005)]；由于旋度是一个矢量，所以，本专利技术利用旋度的绝对值作为特征因子进行测量，定义涡旋的旋度值为：                             (3)其中，，为哈密顿算子；|…|表示取绝对值。根据(3)式，计算出相位分布矩阵P1(x,y)、P2(x,y)、P3(x,y)中每个相位涡旋核结构的旋度值，进行归一化处理，利用归一化后的旋度值去替换原矩阵中光学涡旋点的元素，其余元素用0填充，得到其旋度值分布矩阵V1(x,y)、V2(x,y)、V3(x,y)；将三个旋度值分布矩阵V1(x,y)、V2(x,y)、V3(x,y)分别点乘2p后，再减去p；变换为相位分布位于(-p, p]区间的矩阵V4(x,y)、V5(x,y)、V6(x,y)；然后，将矩阵V4(x,y)、V5(x,y)、V6(x,y)与矩阵P1(x,y)、P2(x,y)、P3(x,y)进行叠加，得到了本专利技术所需的三个随机相位掩模板本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光学涡旋的数字图像加密和解密方法，其特征在于：包括如下步骤，A、加密步骤：生成与待加密图像f(x,y)大小相同的三幅互不相关的随机散斑图I1(x,y)、I2(x,y)、I3(x,y)；利用拉盖尔‑高斯复数滤波器对这三幅随机散斑图I1(x,y)、I2(x,y)、I3(x,y)进行滤波，获得其复振幅分布后得到位于(‑p, p]间的相位分布矩阵P1(x,y)、P2(x,y)、P3(x,y)；原散斑图光强为0的点，由于其对应的相位不确定，该点称为光学涡旋，在这三个相位分布矩阵中对应位置的元素为空；计算出相位分布矩阵P1(x,y)、P2(x,y)、P3(x,y)中每个相位涡旋核结构的旋度值，进行归一化处理，利用归一化后的旋度值去替换原矩阵中光学涡旋点的元素，其余元素用0填充，得到其旋度值分布矩阵V1(x,y)、V2(x,y)、V3(x,y)；将三个旋度值分布矩阵V1(x,y)、V2(x,y)、V3(x,y)分别点乘2p后，再减去p；变换为相位分布位于(‑p, p]区间的矩阵V4(x,y)、V5(x,y)、V6(x,y)；将矩阵V4(x,y)、V5(x,y)、V6(x,y)与矩阵P1(x,y)、P2(x,y)、P3(x,y)进行叠加，得到了安全性高的复杂相位掩模板P4(x,y)、P5(x,y)、P6(x,y)；基于4f光学系统对待加密图像f(x,y)进行加密；将掩模板P4(x,y)置于物平面，复合后输入图像f(x,y)转变为白噪声；将空域图像变为高斯白噪声；在频谱面加入第二、第三个随机相位板P4(x,y)和P5(x,y)，最后在输出平面得到加密后的图像y(x,y)，B、解密步骤：将相位掩模板P5(x,y)、P6(x,y)进行共轭变换后，得到P7(x,y)、P8(x,y)，其中，“*”表示取复共轭；在解密系统即4f光学系统下，将加密图像y(x,y)取复共轭y*(x,y)后置于解密系统的物平面，将相位掩模板P7(x,y)、P8(x,y)置于解密系统的频谱平面；加密图像y(x,y)经第一个透镜的傅里叶变换后，在频谱面与相位掩模板的共轭相乘后，再经过第二个透镜的傅里叶逆变换得到解密后的图像，其数学关系为，其中，FT表示傅里叶变换；IFT表示傅里叶逆变换；得到了解密后的图像g(x,y)。...

【技术特征摘要】
1.一种基于光学涡旋的数字图像加密和解密方法，其特征在于：包括如下步骤，
A、加密步骤：
生成与待加密图像f(x,y)大小相同的三幅互不相关的随机散斑图I1(x,y)、I2(x,y)、I3(x,y)；
利用拉盖尔-高斯复数滤波器对这三幅随机散斑图I1(x,y)、I2(x,y)、I3(x,y)进行滤波，获得其复振幅分布后得到位于(-p, p]间的相位分布矩阵P1(x,y)、P2(x,y)、P3(x,y)；原散斑图光强为0的点，由于其对应的相位不确定，该点称为光学涡旋，在这三个相位分布矩阵中对应位置的元素为空；
计算出相位分布矩阵P1(x,y)、P2(x,y)、P3(x,y)中每个相位涡旋核结构的旋度值，进行归一化处理，利用归一化后的旋度值去替换原矩阵中光学涡旋点的元素，其余元素用0填充，得到其旋度值分布矩阵V1(x,y)、V2(x,y)、V3(x,y)；
将三个旋度值分布矩阵V1(x,y)、V2(x,y)、V3(x,y)分别点乘2p后，再减去p；变换为相位分布位于(-p, p]区间的矩阵V4(x,y)、V5(x,y)、V6(x,y)；
将矩阵V4(x,y)、V5...

【专利技术属性】
技术研发人员：李新忠，李贺贺，王静鸽，甄志强，李秋泽，尹更新，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：河南;41