CN110855362B - 基于可见光led矩阵的保密通信方法和*** - Google Patents

基于可见光led矩阵的保密通信方法和*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于可见光LED矩阵的保密通信方法，包括：将LED矩阵、透镜、约定的原始图片依次平行方式，LED矩阵位于透镜的物方焦平面处，约定的原始图片位于透镜的像方焦平面处，LED矩阵作为可见光光源，发出的光束经过透镜成像在原始图片上；将密钥和待传输的密文分别转换成二进制代码格式、并且叠加成加密密文后加载在LED矩阵驱动信号上；对叠加了LED矩阵发出光束的原始图片进行拍摄以生成加密图片。本发明采用图片做为信息的传输载体，传输过程中的失真性小，保密效果佳；通过合理设置转换生成的二进制信息密文的周期和占空比，可以使人眼无法区别携带信息的图像和不携带信息图像的不同，提高加密图片的安全性。

Description

基于可见光LED矩阵的保密通信方法和***
技术领域
本发明涉及图片通信技术领域，具体而言涉及一种基于可见光LED矩阵的保密通信方法和***。
背景技术
通信窃密是现代窃密手段中最方便，最安全，最可靠的方式，为了窃取通信中的秘密信息，研制和使用了各种先进的窃密技术手段，因此，通信的保密性比以往任何时候都显得重要。
由于图像的像素可以达到百万以上，使用一幅图片传输的信息量远大于传统的密钥体制。专利号为CN1647140A的发明专利“用于重构图形消息的设备”中提出了一种重构图形消息以进行加密传输的方法，在该方法中，将传递信息加载在原始图像上后，对重新生成的图像进行重构处理，从而获取两个携带传递信息的重构图像，再将重构图像发送至接收方，接收方对两幅重构图像进行还原处理后，获取到传递信息。由具体实施例可知，在本发明中，发送给接收方的图像中分别包含其中一部分传递信息和其中一部分原始图像，人眼无法从重构图像中获知任何信息。这种方法固然在一定程度上实现了信息的保密传输，但由于生成的重构图像的特殊性，由人眼即可识别出重构图像中蕴藏着传递信息，从而吸引破解人员对其进行解析破解或者直接破坏。
专利号为CN102916745A的发明专利“LED照明设备、无线光通信装置及***”中则提出了一种无线光通信装置，包括光阀、信息控制单元；光源本体所发出的光信号照射到所述光阀上；所述信息控制单元用于将待传递信息进行数字化处理并依据处理结果来控制所述光阀的开启和关闭；经过所述光阀后的光信号由与所述无线光通信装置相对应的接收装置接收并对其进行解析，还原为所述待传递信息。通过信息控制单元来控制光阀的开启和关闭，从而将待传递信息调制到光源发出的可见光上进行传输，在照明的同时还可实现通信功能，且无需占用专用的通信频带即可实现通信。该方法将代传递信息转换成光信号，以实现信息的有效传输。但是，第一，该方法无法实现保密传输，有心人士只需截取光信号内容即可采用同样的方法解析到传递信息，第二，过于依赖光信号传递路径的质量，一旦光信号传递过程中受到环境光线等的干扰，极其容易造成信息传递错误。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于可见光LED矩阵的保密通信方法和***，将密钥和密文信号加载在LED矩阵驱动信号上以转换成光信号，再将转换成的光信号叠加在原始图片上实现信息的保密传输，在本发明中，采用图片做为信息的传输载体，传输过程中的失真性小，保密效果佳；同时，由于人眼不能分辨亮度变化在2%以下的亮度变化，通过合理设置转换生成的二进制信息密文的周期和占空比，可以使人眼无法区别携带信息的图像和不携带信息图像的不同，提高加密图片的安全性；另外，采用短密钥生成长密钥的方式，解决了信息发送方和信息接收方花费大量资源传输长密钥的问题，提高了密钥的传输效率和安全性。
为达成上述目的，结合图1，本发明提出一种基于可见光LED矩阵的保密通信方法，所述通信方法包括：
S1：将LED矩阵、透镜、约定的原始图片依次平行方式，LED矩阵位于透镜的物方焦平面处，约定的原始图片位于透镜的像方焦平面处，LED矩阵作为可见光光源，发出的光束经过透镜成像在原始图片上；
S2：将密钥和待传输的密文分别转换成二进制代码格式、并且叠加成加密密文后加载在LED矩阵驱动信号上；
其中，转换生成的二进制密钥代码和二进制密文代码所对应的高电平位置不重合；
S3：对叠加了LED矩阵发出光束的原始图片进行拍摄以生成加密图片。
进一步的实施例中，所述LED矩阵包括N*N个LED点光源；
所述密钥和待传输的密文分别转换成N*N的二进制密钥代码和N*N的二进制密文代码。
进一步的实施例中，所述二进制密钥代码和二进制密文代码的周期均为10ms、占空比均为1%。
进一步的实施例中，所述通信方法还包括：
S01：信息接收方通过公开渠道发布非堆成加密体制的公钥；
S02：信息发送方生成二进制密钥，利用公钥加密后生成密钥密文；
S03：信息发送方将生成的密钥密文发送给信息接收方，并且约定原始图片。
所述通信方法还包括：
S4：信息接收方接收加密图片，利用密钥密文和约定的原始图片对加密图片进行解密以得到接收到的密文内容。
进一步的实施例中，所述利用密钥密文和约定的原始图片对加密图片进行解密以得到接收到的密文内容的过程包括以下步骤：
S41：接收密钥密文，采用公钥对密钥密文进行解密得到密钥；
S42：利用原始图片和密钥生成携带密钥信息的灰度图；
S43：将接收到的加密图片与生成的灰度图相减以得到相应的二进制信息。
进一步的实施例中，所述利用原始图片和密钥生成携带密钥信息的灰度图包括：
如果原始图片为彩色图片，约定使用三基色中一种基色作为灰度图使用。
进一步的实施例中，所述通信方法包括：
信息发送方生成原始密钥，将原始密钥通过非对称加密体制中的公钥加密后发送至信息接收方；
双方将前次计算过程的输出值作为当前计算过程的输入值，重复进行密码散列函数计算以获取传输所需密钥，初始计算过程的输入值为原始密钥；
其中，所述传输所需密钥的长度大于原始密钥长度。
基于前述保密通信方法，本发明还提及一种基于可见光LED矩阵的保密通信***，所述保密通信***包括：
（1）信息传输装置，分别设置在信息接收方和信息发送方，用于建立两者之间的通讯链路；
（2）信息处理装置，用于接收外部输入的密钥和待传输的密文，将密钥和待传输的密文分别转换成二进制代码格式、并且叠加成加密密文；
（3）加密装置，包括LED矩阵、LED矩阵控制单元、透镜、可显示约定的原始图片的显示单元，以及拍摄单元；
其中，LED矩阵、透镜、约定的原始图片依次平行方式，LED矩阵位于透镜的物方焦平面处，约定的原始图片位于透镜的像方焦平面处，LED矩阵作为可见光光源，发出的光束经过透镜成像在原始图片上；
所述LED矩阵与LED矩阵控制单元连接，LED矩阵根据LED矩阵控制单元的控制指令切换各个矩阵的光强参数；
所述LED矩阵控制单元与信息处理装置连接，接收信息处理装置发送的加密密文，加载在LED矩阵驱动信号上，以改变LED矩阵的光强参数；
所述拍摄单元设置在显示单元前方，用于拍摄叠加了LED矩阵发出光束的原始图片以生成加密图片。
以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于：
（1）采用图片做为信息的传输载体，传输过程中的失真性小，保密效果佳。
（2）由于人眼不能分辨亮度变化在2%以下的亮度变化，通过合理设置转换生成的二进制信息密文的周期和占空比，可以使人眼无法区别携带信息的图像和不携带信息图像的不同，提高加密图片的安全性。
（3）另外，采用短密钥生成长密钥的方式，解决了信息发送方和信息接收方花费大量资源传输长密钥的问题，提高了密钥的传输效率和安全性。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是本发明的基于可见光LED矩阵的保密通信方法的流程图。
图2是本发明的基于可见光LED矩阵的保密通信***的结构示意图。
图3是本发明的密钥（3A）、密文（3B）、加密密文（3C）的二进制代码示意图。
图4是携带密钥信息图片的灰度图（4A）、 携带密文图片的灰度图（4B）和携带密钥和密文信息图片的灰度图（4C）的示意图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
结合图1，本发明提及一种基于可见光LED矩阵的保密通信方法，所述通信方法包括：
S1：将LED矩阵、透镜、约定的原始图片依次平行方式，LED矩阵位于透镜的物方焦平面处，约定的原始图片位于透镜的像方焦平面处，LED矩阵作为可见光光源，发出的光束经过透镜成像在原始图片上。
S2：将密钥和待传输的密文分别转换成二进制代码格式、并且叠加成加密密文后加载在LED矩阵驱动信号上。
其中，转换生成的二进制密钥代码和二进制密文代码所对应的高电平位置不重合。
S3：对叠加了LED矩阵发出光束的原始图片进行拍摄以生成加密图片。
基于前述保密通信方法，本发明还提及一种基于可见光LED矩阵的保密通信***，所述保密通信***包括信息传输装置、信息处理装置、加密装置。
信息传输装置，分别设置在信息接收方和信息发送方，用于建立两者之间的通讯链路。
信息处理装置，用于接收外部输入的密钥和待传输的密文，将密钥和待传输的密文分别转换成二进制代码格式、并且叠加成加密密文。
加密装置，包括LED矩阵、LED矩阵控制单元、透镜、可显示约定的原始图片的显示单元，以及拍摄单元。
其中，LED矩阵、透镜、约定的原始图片依次平行方式，LED矩阵位于透镜的物方焦平面处，约定的原始图片位于透镜的像方焦平面处，LED矩阵作为可见光光源，发出的光束经过透镜成像在原始图片上。
所述LED矩阵与LED矩阵控制单元连接，LED矩阵根据LED矩阵控制单元的控制指令切换各个矩阵的光强参数。
所述LED矩阵控制单元与信息处理装置连接，接收信息处理装置发送的加密密文，加载在LED矩阵驱动信号上，以改变LED矩阵的光强参数。
所述拍摄单元设置在显示单元前方，用于拍摄叠加了LED矩阵发出光束的原始图片以生成加密图片。
保密通信******由一个LED矩阵、一个透镜和一幅图片组成，结构如图2所示。LED矩阵A作为可见光的光源放置在透镜B的物方焦平面处，LED矩阵包含N*N个的LED点光源。点光源由直流电源供电，产生连续的可见光光源。图片放置在透镜B的像方焦平面处，LED矩阵A经过透镜成像在图片C上，即N*N的点光源成像在图片上也是N*N的像点。用相机对图片拍照即可得到点光源的信息，将N*N矩阵的点光源可看成N*N的二进制代码，读取相机拍摄的图片即可得到二进制代码的信息。
将周期为10ms，占空比为1%的随机N*N二进制代码加载在LED矩阵点光源上形成密钥，如图3A所示。要传输的密文转换成周期为10ms，占空比为1%的N*N的二进制密文代码，如图3B所示，二进制密文代码叠加在二进制密钥代码的上。为了区分二进制密文代码和二进制密钥代码，要求二进制密文代码中高电平的位置与二进制密钥代码中高电平的位置不重合。最后组成周期为10ms，占空比为2%的N*N矩阵的二进制信息代码，如图3C所示。
利用相机拍摄图片后，由于人眼不能分辨亮度变化在2%以下的亮度变化，所以人眼无法区别携带信息的图像和不携带信息图像的不同。
应当理解，LED矩阵的行列数并不固定，由需要携带的信息量或密钥等级确定。密钥和待传输的信息转换生成的二进制代码的参数与LED矩阵的参数相匹配，优选的，两者一致，以便于加载控制，如前述N*N。
在一些方法中，所述通信方法还包括：
S01：信息接收方通过公开渠道发布非堆成加密体制的公钥。
S02：信息发送方生成二进制密钥，利用公钥加密后生成密钥密文。
S03：信息发送方将生成的密钥密文发送给信息接收方，并且约定原始图片。
之后信息发送方按照前述加密方法，利用二进制密钥和原始图片，生成携带传输信息的加密图片，将加密图片传输至信息接收方。
优选的，所述通信方法还包括：
S4：信息接收方接收加密图片，利用密钥密文和约定的原始图片对加密图片进行解密以得到接收到的密文内容。
具体的，步骤S4中，所述利用密钥密文和约定的原始图片对加密图片进行解密以得到接收到的密文内容的过程包括以下步骤：
S41：接收密钥密文，采用公钥对密钥密文进行解密得到密钥。
S42：利用原始图片和密钥生成携带密钥信息的灰度图，其中，如果原始图片为彩色图片，约定使用三基色中一种基色作为灰度图使用。
S43：将接收到的加密图片与生成的灰度图相减以得到相应的二进制信息。
针对图片传输信息，本发明还提及了一种密钥的处理方法。
所述通信方法包括：
信息发送方生成原始密钥，将原始密钥通过非对称加密体制中的公钥加密后发送至信息接收方。
双方将前次计算过程的输出值作为当前计算过程的输入值，重复进行密码散列函数计算以获取传输所需密钥，初始计算过程的输入值为原始密钥。
其中，所述传输所需密钥的长度大于原始密钥长度。
由于图片的像素巨大，需要的密钥长度过大，不利于密钥传输。因此采用短密钥生成长密钥的方式，解决这个问题。具体过程如下：
第一步、发送方生成的密钥（如160位二进制）。
第二步、发送方将此密钥通过非对称加密体制中的公钥发送给接收方。
第三步、双方采用该密钥作为输入进行SHA-1函数计算得到新的160位二进制。
第四步、将计算得到的160二进制作为输入进行SHA-1函数计算，重复上述过程直到获得需要的密钥数量。
优选的，通过更换密钥提高保密性。例如，当下次需要再进行信息传输时，重新利用非对称密钥体制传输密钥，保证每次传输的密钥不一致，提高保密性。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (9)

1.一种基于可见光LED矩阵的保密通信方法，其特征在于，所述通信方法包括：
S1：将LED矩阵、透镜、约定的原始图片依次平行方式，LED矩阵位于透镜的物方焦平面处，约定的原始图片位于透镜的像方焦平面处，LED矩阵作为可见光光源，发出的光束经过透镜成像在原始图片上；
S2：将密钥和待传输的密文分别转换成二进制代码格式、并且叠加成加密密文后加载在LED矩阵驱动信号上；
其中，转换生成的二进制密钥代码和二进制密文代码所对应的高电平位置不重合；
S3：对叠加了LED矩阵发出光束的原始图片进行拍摄以生成加密图片；
通过设置转换生成的二进制信息密文的周期和占空比，使所述加密图片相对于原始图片的亮度变化在2％以下。
2.根据权利要求1所述的基于可见光LED矩阵的保密通信方法，其特征在于，所述LED矩阵包括N*N个LED点光源；
所述密钥和待传输的密文分别转换成N*N的二进制密钥代码和N*N的二进制密文代码。
3.根据权利要求1所述的基于可见光LED矩阵的保密通信方法，其特征在于，所述二进制密钥代码和二进制密文代码的周期均为10ms、占空比均为1％。
4.根据权利要求1所述的基于可见光LED矩阵的保密通信方法，其特征在于，所述通信方法还包括：
S01：信息接收方通过公开渠道发布非堆成加密体制的公钥；
S02：信息发送方生成二进制密钥，利用公钥加密后生成密钥密文；
S03：信息发送方将生成的密钥密文发送给信息接收方，并且约定原始图片。
5.根据权利要求4所述的基于可见光LED矩阵的保密通信方法，其特征在于，所述通信方法还包括：
S4：信息接收方接收加密图片，利用密钥密文和约定的原始图片对加密图片进行解密以得到接收到的密文内容。
6.根据权利要求5所述的基于可见光LED矩阵的保密通信方法，其特征在于，步骤S4中，所述利用密钥密文和约定的原始图片对加密图片进行解密以得到接收到的密文内容的过程包括以下步骤：
S41：接收密钥密文，采用公钥对密钥密文进行解密得到密钥；
S42：利用原始图片和密钥生成携带密钥信息的灰度图；
S43：将接收到的加密图片与生成的灰度图相减以得到相应的二进制信息。
7.根据权利要求6所述的基于可见光LED矩阵的保密通信方法，其特征在于，步骤S42中，所述利用原始图片和密钥生成携带密钥信息的灰度图包括：
如果原始图片为彩色图片，约定使用三基色中一种基色作为灰度图使用。
8.根据权利要求1所述的基于可见光LED矩阵的保密通信方法，其特征在于，所述通信方法包括：
信息发送方生成原始密钥，将原始密钥通过非对称加密体制中的公钥加密后发送至信息接收方；
双方将前次计算过程的输出值作为当前计算过程的输入值，重复进行密码散列函数计算以获取传输所需密钥，初始计算过程的输入值为原始密钥；
其中，所述传输所需密钥的长度大于原始密钥长度。
9.一种基于可见光LED矩阵的保密通信***，其特征在于，所述保密通信***包括：
信息传输装置，分别设置在信息接收方和信息发送方，用于建立两者之间的通讯链路；
信息处理装置，用于接收外部输入的密钥和待传输的密文，将密钥和待传输的密文分别转换成二进制代码格式、并且叠加成加密密文；
加密装置，包括LED矩阵、LED矩阵控制单元、透镜、可显示约定的原始图片的显示单元，以及拍摄单元；
其中，LED矩阵、透镜、约定的原始图片依次平行方式，LED矩阵位于透镜的物方焦平面处，约定的原始图片位于透镜的像方焦平面处，LED矩阵作为可见光光源，发出的光束经过透镜成像在原始图片上；
所述LED矩阵与LED矩阵控制单元连接，LED矩阵根据LED矩阵控制单元的控制指令切换各个矩阵的光强参数；
所述LED矩阵控制单元与信息处理装置连接，接收信息处理装置发送的加密密文，加载在LED矩阵驱动信号上，以改变LED矩阵的光强参数；
所述拍摄单元设置在显示单元前方，用于拍摄叠加了LED矩阵发出光束的原始图片以生成加密图片。
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