本发明专利技术公开了一种基于指纹密钥和离轴数字全息的多图像分级加密方法，包括加密步骤：首先对加密用户及待加密的明文图像进行分级，随后采集加密用户的加密指纹并生成指纹混沌相位掩模，之后利用改进的双随机相位编码和离轴数字全息编码对多幅明文图像进行分级加密，最终生成一幅振幅型密文；解密步骤：首先利用指纹柱码认证技术对解密指纹进行认证，认证成功之后生成用于解密的指纹混沌共轭相位掩模，之后利用改进离轴数字全息解码和改进的双随机相位解码对密文进行分级解密，从而得到多幅解密图像。本发明专利技术所提出的多图像分级加密方法具有安全级别高、指纹密钥鲁棒性强、数字密钥灵敏度高、解密质量高、用户差异化授权的优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及信息安全，具体涉及一种基于指纹密钥和离轴数字全息的多图像分级加密方法。
技术介绍
1、自1995年refregier和javidi提出基于双随机相位编码的图像加密方法以来，光学图像加密技术受到了广泛的关注。后来，光学干涉、衍射成像、计算鬼成像、数字全息、超表面等相关技术也被逐渐引入到光学图像加密技术中，随之出现了多种新颖的光学图像加密方案，从而加速了光学图像加密技术的实用化进程。然而，目前的光学图像加密技术往往存在密钥复杂度高的问题，尤其是相位掩模密钥通常难以被用户记忆或携带，并且密钥与用户之间缺乏联系，导致攻击者存在窃取用户密钥的可能性，从而严重威胁加密系统的安全。生物特征密钥，尤其是指纹密钥，是解决上述问题的有效方案，原因在于指纹具有唯一性、不变性和便利性。近年来，已有研究者开始对基于指纹密钥的光学图像加密方法进行研究。例如，tashima等人提出了一种基于指纹密钥和双随机相位编码的二值图像加密方法。zhao等人提出了一种基于指纹密钥、相位恢复算法和rsa公钥算法的灰度图像加密方法。su等人提出了一种基于指纹密钥和相移数字全息的彩色图像加密方法。但是，现有的基于指纹密钥的光学图像加密方法大多都是对单个明文图像进行加密的，从而导致加密效率偏低。为满足高加密效率的需求，部分研究者开展了基于指纹密钥的双图像/多图像加密方法的有益研究。例如，li等人提出了一种基于指纹密钥和gyrator域双随机相位编码的双图像加密方法。之后，同一小组的wang等人又提出了一种基于混沌指纹相位掩模和多层衍射成像的多图像加密方法。
2、然而，在上述基于指纹密钥的双图像/多图像加密方案中所有图像的加密级别均是相同的，所有用户的访问权限也是相同的，无法满足不同敏感度信息需要被赋予不同保护级别的需求，并且安全系统也无法对解密用户进行精细化的分类与识别，因而严重限制了此类方案的应用范围。为解决上述问题，需要在基于指纹密钥的双图像/多图像加密方案中引入分级加密的思想，根据图像信息的敏感度和重要性设置不同的加密级别，并根据用户的身份分配不同的访问权限，确保只有授权用户才能访问相应级别的信息。然而，目前基于指纹密钥的双图像/多图像分级加密方案尚未见报道。针对这种情况，本专利技术提出了一种指纹密钥和离轴数字全息的多图像分级加密方法，旨在实现安全级别高、指纹密钥鲁棒性强、加密效率高、解密无串扰、用户差异化授权的多图像分级加密。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于，提供一种基于指纹密钥和离轴数字全息的多图像分级加密方法。本专利技术以加密用户的指纹作为密钥，利用改进的双随机相位编码技术和离轴数字全息编码技术对多幅明文图像进行分级加密，具有密钥空间大、指纹密钥鲁棒性强、数字密钥灵敏度高、加密效率高、解密质量高、密文数量少的优点。
2、为实现上述专利技术目的，本专利技术提供的技术方案如下：一种基于指纹密钥和离轴数字全息的多图像分级加密方法，其特征在于：包括加密步骤：
3、s1：加密等级分级：将n名加密用户及对应的n幅待加密明文图像pn(n＝1,2,...,n)分为1～n级；
4、s2：指纹混沌相位掩模的生成：首先，采集第n(n＝1,2,...,n)级加密用户的加密指纹原始图像zn(n＝1,2,...,n)，随后利用指纹图像处理技术和指纹柱形编码技术获取每名加密用户的加密指纹柱码均值和脊线频率并存储于加密数据库中；之后，对每名加密用户的加密指纹柱码均值和脊线频率进行混沌初值映射，并将映射结果作为混沌初值输入至混沌矩阵生成程序中，进而生成第n级加密过程中所需要的第一指纹混沌相位掩模fcpm1,n和第二指纹混沌相位掩模fcpm2,n。
5、s3：基于离轴数字全息编码的多图像分级加密：
6、(i)第1级加密：首先，对第1级待加密明文图像p1进行改进的双随机相位编码，并对编码结果执行补零操作，从而获得第1级加密物光波g1,o。之后，对第1级加密物光波g1,o进行离轴数字全息编码，从而生成第1级加密全息图i1：
7、i1＝odhe(zp(mdrpe(p1)))
8、式中，mdrpe(·)和odhe(·)分别表示改进的双随机相位编码和离轴数字全息编码运算，zp(·)表示补零操作。
9、(ii)第n级加密(n＝2:1:n)：首先，对第n级待加密明文图像pn执行补零操作得到补零结果随后，将第n-1级加密全息图in-1和补零结果分别作为振幅和相位，利用复振幅合成技术生成第n级加密复振幅gn。之后，对第n级加密复振幅gn进行改进的双随机相位编码，并对编码结果执行补零操作，从而获得第n级加密物光波gn,o。最后，对第n级加密物光波gn,o进行离轴数字全息编码，从而生成第n级加密全息图in：
10、
11、式中，exp(·)表示指数运算，j为虚数单位，n＝2:1:n表示以1为步长，从2取到n，即上述步骤从第2级加密开始运行，直至第n级加密运行完成后结束，最终生成第n级加密全息图in，并输出为最终的多图像加密密文。
12、至此，完成加密步骤。
13、解密步骤：
14、j1：解密指纹认证：首先，采集第n(n＝1,2,...,n)名解密用户的解密指纹原始图像，随后利用指纹图像处理技术和指纹柱码认证技术计算第n(n＝1,2,...,n)名解密用户的解密指纹和第n(n＝1,2,...,n)名加密用户的加密指纹的全局相似度gsn，若全局相似度gsn大于预设阈值δ，则认证成功，并输出加密数据库中存储的第n(n＝1,2,...,n)名加密用户的加密指纹柱码均值和脊线频率作为解密数据并进入下一解密步骤；反之，认证失败，解密终止。
15、j2：指纹混沌共轭相位掩模的生成：首先，对上一解密步骤输出的解密数据，即第n(n＝1,2,...,n)名加密用户的加密指纹柱码均值和脊线频率进行混沌初值映射，并将映射结果作为混沌初值输入至混沌矩阵生成程序中，从而生成第一指纹混沌相位掩模fcpm1,n和第二指纹混沌相位掩模fcpm2,n；之后，对生成的指纹混沌相位掩模执行共轭化操作，进而生成第n级解密过程中所需要的第一指纹混沌共轭相位掩模和第二指纹混沌共轭相位掩模
16、j3：基于离轴数字全息重建的多图像分级解密：
17、(i)第n级解密：首先，对多图像加密密文，即第n级加密全息图in进行离轴数字全息重建，从而获得第n级解密物光波之后，对第n级解密物光波进行改进的双随机相位解码，从而获得第n级解密复振幅之后，对第n级解密复振幅分别执行振幅提取和相位提取操作，从而得到第n级解密结果和第n-1级解密全息图
18、
19、
20、式中，mdrpd(·)和odhr(·)分别表示改进的双随机相位解码和离轴数字全息解码运算，arg(·)表示相位提取操作。
21、(ii)第n级解密(n＝n-1:-1:2)：首先，对第n级解密全息图进行离轴数字全息重建，从而获得第n级解密物光波之后，对第n级解密本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种基于指纹密钥和离轴数字全息的多图像分级加密方法，其特征在于：包括加密步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于指纹密钥和离轴数字全息的多图像分级加密方法，其特征在于：所述加密步骤S3中的改进的双随机相位编码，其特征在于：首先，对输入信号Sin进行第一次混沌相位分数傅里叶变换，并将此次变换结果与第一指纹混沌相位掩模FCPM1,n的相位分布相乘，随后对此次乘积结果进行第二次混沌相位分数傅里叶变换，并将此次变换结果与第二指纹混沌相位掩模FCPM2,n的相位分布相乘，之后对此次乘积结果进行第三次混沌相位分数傅里叶变换，从而得到输入信号Sin经过改进的双随机相位编码后生成的输出信号Sout为：
3.根据权利要求1所述的一种基于指纹密钥和离轴数字全息的多图像分级加密方法，其特征在于：所述加密步骤S3中的离轴数字全息编码，其特征在于：第n级加密物光波gn,o(n＝1,2,…,N)经过菲涅尔衍射垂直传播至全息记录平面，同时引入与物光波不同轴的参考光波gn,r(n＝1,2,…,N)，与物光波在全息记录平面上发生干涉，从而生成第n级加密全息图In(n＝1,2,...,N)：
4.根据权利要求1所述的一种基于指纹密钥和离轴数字全息的多图像分级加密方法，其特征在于：所述解密步骤J3中的离轴数字全息重建，其特征在于：将参考光波用作再现光波照射到第N级加密全息图IN或第n级解密全息图上发生衍射，之后在重建平面上进行带通滤波，从而得到第n级解密物光波
5.根据权利要求1所述的一种基于指纹密钥和离轴数字全息的多图像分级加密方法，其特征在于：所述解密步骤J3中的改进的双随机相位解码，其特征在于：首先，对输入信号进行第一次混沌相位分数傅里叶逆变换，并将此次逆变换结果与第二指纹混沌共轭相位掩模的相位分布相乘，随后对此次乘积结果进行第二次混沌相位分数傅里叶逆变换，并将此次逆变换结果与第一指纹混沌共轭相位掩模的相位分布相乘，之后对此次乘积结果进行第三次混沌相位分数傅里叶变换，从而得到输入信号经过改进的双随机相位编码后生成的输出信号为：
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【技术特征摘要】
1.一种基于指纹密钥和离轴数字全息的多图像分级加密方法，其特征在于：包括加密步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于指纹密钥和离轴数字全息的多图像分级加密方法，其特征在于：所述加密步骤s3中的改进的双随机相位编码，其特征在于：首先，对输入信号sin进行第一次混沌相位分数傅里叶变换，并将此次变换结果与第一指纹混沌相位掩模fcpm1,n的相位分布相乘，随后对此次乘积结果进行第二次混沌相位分数傅里叶变换，并将此次变换结果与第二指纹混沌相位掩模fcpm2,n的相位分布相乘，之后对此次乘积结果进行第三次混沌相位分数傅里叶变换，从而得到输入信号sin经过改进的双随机相位编码后生成的输出信号sout为：
3.根据权利要求1所述的一种基于指纹密钥和离轴数字全息的多图像分级加密方法，其特征在于：所述加密步骤s3中的离轴数字全息编码，其特征在于：第n级加密物光波gn,o(n＝1,2,…,n)经过菲涅尔衍射垂直传播至全息记录平面，同时引入与物光波不同轴的参考光波gn,r(n...
【专利技术属性】
技术研发人员：苏衍峰，王博宇，王义文，钟文琦，薛瑞洁，彭心宇，聂山钧，张鹏，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：
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