CN107886551A - 双柱面随机相位编码的光学图像加密方法 - Google Patents

双柱面随机相位编码的光学图像加密方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种双柱面随机相位编码的光学图像加密方法。该方法包括光学图像加密过程和解密过程。所述方法对经典的双随机相位编码加密技术进行简单的改进，使用柱面相位板代替平面相位板，两次反射接力柱面衍射代替两次连续接力平面衍射，利用两次反射接力柱面衍射过程和逆向过程的非对称性，能极大地提高加密方法的安全性，特别是能抵御相位恢复方法的攻击。解密时采用加密时的共轭相位板和正确的柱面衍射***参数，进行可逆衍射，便可正确解密。

Description

双柱面随机相位编码的光学图像加密方法
技术领域
本发明涉及一种信息安全和信息光学技术领域，特别是光学图像加密方法。
背景技术
双随机相位编码技术和光学干涉理论在图像加密中的应用研究是近年来光学信息安全研究领域中的热点课题。1995 年美国的P. Réfrégier 和B. Javidi 两位专家提出的双随机相位编码技术是光学理论在信息安全领域的重大运用，该技术已获得美国专利保护。但由于该***存在着线性这一性质，***的安全性存在极大的隐患。非对称加密方法是最近几年光学图像加密领域出现的新热点，此类加密方法具有抵抗相位恢复方法攻击的能力。由于柱面计算全息的由内向外传播模型和由外向内传播模型可以看作为非对称的衍射过程，柱面衍射过程作为非对称加密，在光学图像加密领域具有极大的潜力和优势。
发明内容
本发明针对上述双随机相位编码的加密技术由于线性性质导致的加密***安全隐患，提出一种双柱面随机相位编码的光学图像加密方法，该方法可以有效抵抗相位恢复方法的攻击。该方法对经典的双随机相位编码加密技术进行简单的改进，使用柱面相位板代替平面相位板，两次反射接力柱面衍射代替两次连续接力平面衍射，利用两次反射接力柱面衍射过程和逆向过程的非对称性，能极大地提高加密方法的安全性，特别是能抵御相位恢复方法的攻击。本发明包括光学加密和解密两个过程。
本发明所述的光学加密过程如图1所示，包括一个核心模块——A双柱面随机相位编码模块，三个配套模块——B、计算处理与显示模块，C、激光照明光源与参考光模块，D、全息成像获取模块。
本发明所述的双柱面随机相位编码模块是由两次反射接力柱面衍射和分别位于输入面和第一个反射柱面的双柱面随机相位板组成，包括以下两个步骤：
AE1、待加密的灰度图像经过激光照明转化为物光波(u 0)，首先被位于第一个内反射柱面的第一个柱面随机相位板(M 1)编码，反射后结果记为u 1，经过一次距离为d 1、由外向内传播模型的柱面衍射，到达另一个外反射柱面，其波前记为u 2，具体计算过程表示为：
， (1)
其中R 1为随机相位矩阵，i为虚数单位，*表示共轭，即反射过程。FrOIP(.)表示由外向内传播模型的柱面衍射，计算公式为：
(2)
其中(θ R , z R )和(θ r , z r )为内反射柱面和外反射柱面的角度和高度方向坐标，r、R为内外柱面的半径，C为常数，d为内外柱面上任意2点间的距离。
AE2、衍射波前u 2被位于第二个外反射柱面的第二个柱面随机相位板(M 2)编码，反射后的光场记为u 3，经过一次距离为d 2、由内向外传播模型的柱面衍射，到达另一个柱面记录面，其波前记为u 4，计算具体过程表示为：
(3)
其中R 2为随机相位矩阵，FrIOP(.)表示由内向外传播模型的柱面衍射，计算公式为：
。 (4)
本发明所述的三个配套模块分别是：
B、计算处理与显示模块，由计算机114和显示器115组成。
C、激光照明光源与参考光模块，由图1中的101：激光器，102：激光扩束镜，103：透镜L1，104：平面反光镜M1，105：分光棱镜BS1，106：相移半波片PZT，107：分光棱镜BS2，108：平面反光镜M2组成，为核心编码模块提供照明光源和参考光，参考光通过相移半波片PZT提供相位改变为π/2的两种参考光R 0和R 1。
D、全息成像获取模块，由光探测器CCD113组成，可以获取衍射光波与2种参考光形成的干涉条纹振幅，即全息图密文H 1和H 2，其计算方法是：H 1=|R 0+u 4|2，H 2=|R 1+u 4|2。
本发明所述的解密过程包括：
AD1、光场u 4的重建过程，结果为u 4'。具体过程为：先计算出干涉时的零级光I 0，具体计算公式为：
， (5)
并且满足条件2R 1≧ max (|u 4|) + min (|u 4|)，则重建的光场u 4'为：
。 (6)
AD2. 图像u 0的解密过程，结果为u 0'。具体过程是：重建的光场u 4'经过FrIOP(.)的逆衍射过程IFrIOP(.)，并被共轭相位板M 2*编码，然后经过FrOIP(.)的逆衍射过程IFrOIP(.)，并被共轭相位板M 1*编码，形成解密的图像u 0'，其计算过程为：
。 (7)
本发明的有益效果在于：具备非对称加密***良好的抗攻击能力，抵御相位恢复方法这种特殊的攻击效果特别明显，秘钥个数多且敏感性强，秘钥空间大，安全性好。
四、附图说明
附图1为本发明的双柱面随机相位编码的光学图像加密方法的***实现示意图。
附图2为本发明的加密和解密流程图。
附图3 (a) 待加密的原图“Ruler”(512×512)；(b) 全息图密文H 1；(c) 全息图密文H 2；(d) 解密的图像。
上述附图中的图示标号为：
101：激光器，102：激光扩束镜，103：透镜L1，104：平面反光镜M1，105：分光棱镜BS1，106：相移半波片PZT，107：分光棱镜BS2，108：平面反光镜M2，109：内柱面反光器，110：随机相位板掩膜RPM1，111：随机相位板掩膜RPM2，112：外柱面反光器，113：光探测器CCD，114：计算机，115：显示器。
注：上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。
五、具体实施方式
下面详细说明本发明一种双柱面随机相位编码的光学图像加密方法的一个典型实施例，对本发明进行进一步的具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
本发明提出一种双柱面随机相位编码的光学图像加密方法，该方法包括光学加密和解密两个过程。
本实施例由计算处理与显示模块、激光照明光源与参考光模块、双随机柱面相位板加密模块、全息成像获取模块组成并实现，如附图1 所示，包括：101：激光器，102：激光扩束镜，103：透镜L1，104：平面反光镜M1，105：分光棱镜BS1，106：相移半波片PZT，107：分光棱镜BS2，108：平面反光镜M2，109：内柱面反光器，110：随机相位板掩膜RPM1，111：随机相位板掩膜RPM2，112：外柱面反光器，113：光探测器CCD，114：计算机，115：显示器。光学器件101-108构成激光照明光源与参考光模块。所述的器件及光学元件排列顺序如图1所示，物光波和参考光的光程差应该相等，柱面反射镜的倾斜角度应该等于柱面反射镜7和10夹角的一半，以保证柱面反射镜7的入射光束和柱面反射镜10的反射光束平行。
本发明的实例中，参数H、r、R1、R2分别设定为5、1、60、65mm。波长λ为842nm。垂直轴向的采样数为512，采样间隔则为5/512 mm。圆周轴向的只取2π/30柱面，采样点数也是512，采样间隔则为2π/(30*512)。
本发明所述的双柱面随机相位编码模块是核心模块，由两次反射接力柱面衍射和分别位于输入面和第一个反射柱面的双柱面随机相位板组成，包括以下两个步骤，如图2（a）所示：
AE1、待加密的灰度图像经过激光照明转化为物光波(u 0)，如图3(a)所示，首先被位于第一个内反射柱面的第一个柱面随机相位板(M 1)编码，反射后结果记为u 1，经过一次距离为d 1、由外向内传播模型的柱面衍射，到达另一个外反射柱面，其波前记为u 2，具体计算过程表示为：
， (1)
其中R 1为随机相位矩阵，i为虚数单位，*表示共轭，即反射过程。FrOIP(.)表示由外向内传播模型的柱面衍射，计算公式为：
(2)
其中(θ R , z R )和(θ r , z r )为内反射柱面和外反射柱面的角度和高度方向坐标，r、R为内外柱面的半径，C为常数，d为内外柱面上任意2点间的距离。
AE2、衍射波前u 2被位于第二个外反射柱面的第二个柱面随机相位板(M 2)编码，反射后的光场记为u 3，经过一次距离为d 2、由内向外传播模型的柱面衍射，到达另一个柱面记录面，其波前记为u 4，计算具体过程表示为：
(3)
其中R 2为随机相位矩阵，FrIOP(.)表示由内向外传播模型的柱面衍射，计算公式为：
。 (4)
本发明所述的三个配套模块分别是：
B、计算处理与显示模块，由计算机114和显示器115组成。
C、激光照明光源与参考光模块，由图1中的101：激光器，102：激光扩束镜，103：透镜L1，104：平面反光镜M1，105：分光棱镜BS1，106：相移半波片PZT，107：分光棱镜BS2，108：平面反光镜M2组成，为核心编码模块提供照明光源和参考光，参考光通过相移半波片PZT提供相位改变为π/2的两种参考光R 0和R 1。
D、全息成像获取模块，由光探测器CCD113组成，可以获取衍射光波与2种参考光形成的干涉条纹振幅，即全息图密文H 1和H 2，其计算方法是：H 1=|R 0+u 4|2，H 2=|R 1+u 4|2，其结果如图3（b）和（c）所示。
本发明所述的解密过程如图2（b）所示，包括：
AD1、光场u 4的重建过程，结果为u 4'。具体过程为：先计算出干涉时的零级光I 0，具体计算公式为：
， (5)
并且满足条件2R 1≧ max (|u 4|) + min (|u 4|)，则重建的光场u 4'为：
。 (6)
AD2、图像u 0的解密过程，结果为u 0'。具体过程是：重建的光场u 4'经过FrIOP(.)的逆衍射过程IFrIOP(.)，并被共轭相位板M 2*编码，然后经过FrOIP(.)的逆衍射过程IFrOIP(.)，并被共轭相位板M 1*编码，形成解密的图像u 0'，其计算过程为：
。 (7)
得到的加密图如图3(d)。只有在随机相位板信息M 1和M 2，以及柱面加密***的参数（高度、内径和外径）秘钥正确的情况下，才能够得到如图3(d)所示的正确解密结果。

Claims (5)

1.一种双柱面随机相位编码的光学图像加密方法，其特征在于，所述方法包括光学加密和解密两个过程。
2.根据权利要求1所述的双柱面随机相位编码的光学图像加密方法，所述的光学加密过程包括一个核心模块——双柱面随机相位编码模块，三个配套模块——计算处理与显示模块，激光照明光源与参考光模块，全息成像获取模块。
3.根据权利要求1所述的双柱面随机相位编码的光学图像加密方法，所述的光学加密过程，所述的双柱面随机相位编码模块是，由两次反射接力柱面衍射和分别位于输入面和第一个反射柱面的双柱面随机相位板组成，包括以下两个步骤：待加密的灰度图像经过激光照明转化为物光波(u 0)，首先被位于第一个内反射柱面的第一个柱面随机相位板(M 1)编码，反射后结果记为u 1，经过一次距离为d 1、由外向内传播模型的柱面衍射，到达另一个外反射柱面，其波前记为u 2，具体计算过程表示为：
，其中R 1为随机相位矩阵，i为虚数单位，*表示共轭，即反射过程，FrOIP(.)表示由外向内传播模型的柱面衍射，计算公式为
，
其中(θ R , z R )和(θ r , z r )为内反射柱面和外反射柱面的角度和高度方向坐标，r、R为内外柱面的半径，C为常数，d为内外柱面上任意2点间的距离；衍射波前u 2被位于第二个外反射柱面的第二个柱面随机相位板(M 2)编码，反射后的光场记为u 3，经过一次距离为d 2、由内向外传播模型的柱面衍射，到达另一个柱面记录面，其波前记为u 4，计算具体过程表示为：，其中R 2为随机相位矩阵，FrIOP(.)表示由内向外传播模型的柱面衍射，计算公式为：
。
4.根据权利要求1所述的双柱面随机相位编码的光学图像加密方法，所述的光学加密过程，所述的三个配套模块分别是：计算处理与显示模块，由计算机和显示器组成；激光照明光源与参考光模块，激光器，激光扩束镜，透镜L1，平面反光镜M1，分光棱镜BS1，相移半波片PZT，分光棱镜BS2，平面反光镜M2组成，为核心编码模块提供照明光源和参考光，参考光通过相移半波片PZT提供相位改变为π/2的两种参考光R 0和R 1；全息成像获取模块，由光探测器CCD组成，可以获取衍射光波与2种参考光形成的干涉条纹振幅，即全息图密文H 1和H 2，其计算方法是：H 1=|R 0+u 4|2，H 2=|R 1+u 4|2。
5.根据权利要求1所述的双柱面随机相位编码的光学图像加密方法，所述的解密过程包括：光场u 4的重建过程，结果为u 4'，具体过程为，先计算出干涉时的零级光I 0，具体计算公式为：，并且满足条件2R 1 ≧ max (|u 4|) + min (|u 4|)，则重建的光场u 4'为：
；图像u 0的解密过程，结果为u 0'，具体过程是，重建的光场u 4'经过FrIOP(.)的逆衍射过程IFrIOP(.)，并被共轭相位板M 2*编码，然后经过FrOIP(.)的逆衍射过程IFrOIP(.)，并被共轭相位板M 1*编码，形成解密的图像u 0'，其计算过程为： 。
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