基于分数梅林变换的光学图像加密方法技术

一种基于分数梅林变换的光学图像加密方法，按环状范围、以光学方式实现对图像的分数梅林变换，利用ＣＣＤ探测器接收分数梅林变换的结果；将分数梅林变换的变换阶次作为密钥，坐标变换的中心坐标及实施变换环域的内半径和外半径作为次级密钥。本发明专利技术具有较好的抗攻击性和较高的安全性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术专利属于信息安全
，特别涉及图像加密技术。
技术介绍
随着全球网络化的发展，人们对网络系统和信息资源的依赖程度日益加深，同时 不可避免地产生了网络信息的安全隐患，因此信息安全技术备受关注，其中密码技术是信 息安全的核心。图像作为一种特殊的信息载体，由于其生动形象的特点，广泛应用于各个领 域。在一些特殊的应用当中，图像信息作为机密信息需经过特殊处理才能进行传输，以防止 敏感信息的泄漏。而图像信息不同于一般的文本信息，它具有数据量较大、占用频带较宽、 信息冗余度较大、允许有一定失真度等特点，根据这些特点设计相应的图像加密方法具有 重要的实用价值。图像加密源于早期的经典加密理论，其目的是隐藏图像本身的真实信息，使窃取 者在得到密文后无法获得原始图像，而授权的接收方可用预先约定的密钥和解密方法，对 密文进行解密。主要的图像加密技术有基于矩阵变换/像素置换的图像加密技术、基于秘 密分割与秘密共享的图像加密技术、基于现代密码体制的图像加密技术、基于混沌的图像 加密技术等。传统的加密技术主要依靠计算机或数字信号处理器等电子器件来实现，这些 方法受到速度和成本的限制。20世纪90年代以后，随着信息技术的广泛应用，研究人员开 始研究更加安全、高效的图像加密技术，他们把目光投向基于光学理论与方法的图像加密 方法。与传统的加密技术相比，光学图像加密技术具有多维、大容量、高设计自由度、高鲁棒 性、天然的并行性、难以破解等诸多优势，因而倍受青睐，成为近年来国际上比较热门的新 一代密码理论与技术。光学加密方法的本质是通过一定的光学变换扰乱原图像的波前或光强分布，实现 图像数据的加密。1995年美国Connecticut大学饱Refregier和/a^Wi首次提出在标 准4f光信号处理中通过双随机相位编码进行数据加密的光学方法，随后他们发表了多篇 与该技术相关的研究报道，并获得多项基于此技术的美国专利保护。基于双随机相位编码 的图像加密算法提供了光学图像加密的基本思想，是比较经典的图像加密算法。2000年， 印度理工学院的β^ /^/ 等首次将分数傅里叶变换应用到图像加密当中。他们提出 用分数傅里叶变换域来代替双随机相位编码系统中的傅里叶变换域，即基于分数傅里叶变 换的双随机相位编码思想。分数傅里叶变换可通过光波在自由空间的传播和傅里叶透镜 的联合作用来实现，与传统傅里叶变换相比，并不增加对硬件的额外要求。该加密系统中 两块统计无关的随机相位模板分别置于光学系统的输入平面和变换域平面，分别对原始图 像 S<J、y)的空间信息和分数傅里 叶域信息做随机扰乱，在系统输出平面将得到平稳白噪声，可作为密文。由于光学系统具有 并行数据处理能力，二维图像/(U)的每一个像素都可以同时被传播和处理，所处理的图 像越复杂，信息量越大，这种优势就越明显。同时信息可以被隐藏在多个自由度空间，通过 相位、振幅、偏振、波长等参数提供多种加密自由度。其密钥除了随机相位模板密钥外，加密系统中涉及的分数傅里叶变换的阶数以及输入、输出尺度因子等也可作为密钥。这种加密 方案安全性较高，抗噪性能也较好。此后涌现出各种改进方案，如基于级联分数傅里叶变换 的光学图像加密系统、基于分数傅里叶变换的双图像加密方法、基于频谱切割的图像加密 系统等，综合利用分数傅里叶变换和其他加密技术的加密算法更是层出不穷。除了丰富的研究报道，国内外关于光学图像加密的专利申请也颇多，如 Steenblick等的“光学图像加密和解密过程”，Glnckstadm饱“光学加密和解密的方法及 系统”，顾唯兵等的“实时光学图像加密方法和装置”，刘守等的“在像素全息图上加密的光 学装置”等。随着分数阶概念的推广，一些新的分数阶变换作为新的理论工具应用到图像加密 当中。Linfei 等提出基于分数小波变换的图像加密方法，/ia/？力皿Zfe等提出基于分 数余弦变换的图像加密方法，ifeo / Zhao等提出基于重定义的分数哈特莱变换的图像加密 方法等。利用这些分数阶变换固有的特殊性质，可提高或改善加密系统某些方面的性能。基 于分数阶变换的图像加密技术发展空间很大，应用前景十分广阔。虽然目前已有多种变换的分数阶变换形式，但不是所有的分数阶变换都是可以光 学实现的，为了保持光学图像加密的优越性，本专利技术专利提出了基于分数梅林变换的光学 图像加密方法。该方法在保证可光学实现的同时，在加密系统中引入非线性操作，可增强加 密系统的安全性，另外，根据变换的特点可增加密钥个数，扩大密钥空间。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是将分数梅林变换引入图像加密当中，作为图像加密的新工 具，为图像加密技术提供新的途径。考虑到保持光学图像加密技术的优点，本专利技术的另一个目的是利用分数梅林变换 可光学实现的特点，设计出具有高速度、并行处理能力的光学加密系统。本专利技术的目的之三是增强加密系统的安全性。根据密码系统设计的一个基本准则 即尽量引入非线性操作来增强系统的安全性，分数梅林变换是对输入信号的非线性变换， 将其应用到图像加密系统中可增强系统的安全性。同时，除其分数阶次可作为密钥外，根据 其对坐标变换中心的敏感性，便于进行环状操作等特点，可将变换中心坐标，环域半径等作 为密钥，扩大密钥空间，增强系统的安全性。本专利技术是通过以下技术方案实现的。(1)本专利技术的技术方案是利用分数梅林变换扰乱图像的波前或光强分布，进行图 像数据的加密。分数梅林变换过程涉及非线性操作，即对坐标的对数--极坐标变换，可增 强加密系统的安全性。(2)本专利技术所述的加密过程是加密过程中按环状范围对图像实施分数梅林变换， 且分数梅林变换是通过对环域依次进行对数一极坐标变换和分数傅里叶变换来实现的。主 要依据是分数梅林变换的定义权利要求1.一种，其特征是用分数梅林变换对图像进行 加密。2.根据权利要求1所述的图像加密方法，其特征是加密过程中按环状范围对图像实施 分数梅林变换，且分数梅林变换是通过对环域依次进行对数一极坐标变换和分数傅里叶变 换来实现的。3.根据权利要求1所述的图像加密方法，其特征是利用计算机可控的空间光调制器和 傅里叶透镜，以光学方式实现对图像的分数梅林变换，利用CCD探测器接收分数梅林变换 的结果。4.根据权利要求1所述的图像加密方法，其特征是加密过程中将分数梅林变换的变换 阶次作为密钥，坐标变换的中心坐标及实施变换环域的内半径和外半径作为次级密钥。5.根据权利要求1所述的图像加密方法，其特征是按如下步骤实现图像加密和图像解密(1)实现图像加密的步骤如下 步骤一以待加密图像fi^y)的几何中心作为圆心，将图像看作由具有不同内半径和外半径的3/个环域 J^z,χμ = 〗λ···， ν组成的整体，对每个环域进行不同阶次的分数梅林变换；分数梅林变换时取相同数目的距离轴离散化点和相同数目的角度轴离散化点，变换后 得到复值子图像为绘0，7)，5 = U,…,见，该过程用数学公式表示为 其中表示二维分数梅林变换，Pi表示分数梅林变换的阶次 步骤二 按以下步骤将= 1，2,··%Ι进一步加密为一幅图像全文摘要一种，按环状范围、以光学方式实现对图像的分数梅林变换，利用CCD探测器接收分数梅林变换的结果；将分数梅林变换的变换阶次作为密钥，坐标变换本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于分数梅林变换的光学图像加密方法，其特征是用分数梅林变换对图像进行加密。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周南润，王轶娴，吴建华，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：36[]