CN115102690A - 基于传输矩阵的散斑加密及解密技术 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于传输矩阵的散斑加密及解密技术，该方法首先将需要加密的原始图片进行灰度化预处理，并生成灰度图像对应的传输矩阵数据集；对图像进行加密处理时，根据光纤散斑加密***内部加扰的不同状态产生密钥矩阵序列，原始图像与传输矩阵数据集经***内SLM(空间光调制解调器)加载并调制，在多模光纤输出端生成相应的散斑加密图像与散斑矩阵。解密时只需将散斑图像与其相应密钥序列的散斑矩阵做相关运算即可高清晰度的恢复出原始图像。
Description
技术领域
本发明涉及基于传输矩阵的散斑加密及解密技术，该技术利用一套光纤散斑加密***对原始图像进行加密生成散斑图像密文，利用数值计算的方式对散斑密文进行解密，涉及光纤光学与图像处理领域。
背景技术
随着现代通信技术的发展，人们对于信息安全与信息保护等领域的关注越来越多。光学图像加密技术因其具有多维度、高速并行处理等优点而受到人们的广泛关注。光学图像加密技术是利用相干光或非相干光在传播时轨道角动量、偏振、光强、相位等物理参量在空频域对数字图像进行信息加扰来达到信息加密的目的。
现如今，应用于信息安全领域的光学图像加密技术层出不穷。例如最先被提出的双随机相位加密技术(DRPE)以及后续发展出的三随机相位加密技术(TRPE)，它们会在4-f成像***的输入平面和傅里叶平面放置掩模板(TRPE会在输出平面再添加一块掩模板)，无论是TRPE还是DRPE都会将原始图像通过4-f成像***加密为平稳的白噪声图像。但是 DRPE(或TRPE)使用两个(或三个)掩模板作为该***的加密密钥造成了密钥空间小且在 DRPE中解密密钥和解密密钥是共轭的，极易被攻击，存在被敌方破解的风险。基于干涉的光学图像加密技术将原始图像直接加密到一个或者多个相位板中，加密过程不需要任何迭代算法，大大简化了整个***的加密过程，并且解密时可以通过数字或者光学的方式对带有原始图像信息的相位板进行解密。虽然基于干涉的光学图像加密技术的加密和解密过程相对简单且容易实现，但是在解密过程中仅通过一个相位板(密钥)就可以得到原始图形的轮廓，轮廓再现问题降低了整个***的安全性。基于超表面(Metasurface)的光学图像加密技术将超表面(Metasurface)作为密钥对原始图像进行加密可以简化密钥传输的过程并且可以实现单个密钥在不同的加密过程中重复利用。但是作为密钥的超表面(Metasurface)制作工艺复杂，并且该技术加密过程繁琐不利于***的简单实现。
当光波在穿过散射介质时会受到散射介质中分子或原子散射的影响使得光波的光强发生变化从而产生“散斑”，这种散斑可以看做对原始图像进行加密得到的密文。多模光纤(MMFs) 作为一种散射传输介质，当相干光在光纤中传播时会受到各种因素的影响，光纤弯曲、模式耦合、模式间的色散等问题使得相干光在光纤传输时会产生杂乱无序的随机斑点图案-散斑。尽管散斑光场中振幅和相位无序分布，但光纤输入图像和输出散斑一一对应，当对光纤施加一定的扰动，输出端的散斑与输入图像的相关性减弱，加扰后的散斑增加了散斑图像恢复的不确定性，利用传统的散斑重构方法无法恢复加扰后的输入图像。然而，由光纤和固定光学设备组成的光学******具有确定性。如果预先标定原始图像各个区域对应的散斑场，利用位置相关性计算同一位置的相关系数便可实现加扰散斑图像的恢复，即实现加扰加密和相关解密的过程。
发明内容
本发明旨在利用传输矩阵以及光纤散斑加密***实现灰度图像的加密与解密。本发明是基于传输矩阵的散斑加密及解密技术，通过光纤散斑加密***生成密钥系列并将原始图像加密成散斑样式的密文。解密时，通过密文与其密钥序列对应的传输矩阵进行数值运算就可以解密图像。
本发明提供了一种光学加密技术，其优点在于：
(一)基于传输矩阵的散斑加密及解密技术在加密时可高速并行处理数据，并且光纤散斑加密***可通过加扰人为设置密钥实现多维度光学加密的多维度加密。
(二)本发明采用的基于传输矩阵的加密及解密技术不仅限于一张特定图片的加密和解密解密，该方法适用于同等像素大小的任一灰度图片的加密和解密。
(三)基于传输矩阵的散斑加密及解密技术所采用的光纤散斑加密***对环境稳定性要求高在对原始图像进行加密时受到多种环境因素的影响复杂性高，不易被攻击方破解。若非授权方通过非常途径截获传输矩阵和密文信息，如未获得密文对应的密钥序列仍无法获得散斑(密文)对应的明文信息。
当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
本发明采用的技术方案包括以下步骤：
步骤1：设计并搭建光纤散斑加密***实验装置。
步骤2：依据原始图像像素大小生成相应的传输矩阵。
步骤3：SLM对原始图像进行加载和调制，，设置扰动状态生成相应的密钥序列并生成散斑矩阵，完成图像加密。
步骤4：将散斑与其对应密钥序列的散斑矩阵进行数值运算恢复图像，完成图像解密。
在步骤1中，实现原始图像在MMF中的加密的光纤散斑加密***包括但不限制于：1、激光器2、空间光调制解调器(SLM)3、分束镜4、CCD相机5、加扰装置6、MMF。
在步骤2中，根据原始图像的像素大小利用n*n像素划分方法生成传输矩阵数据集。
在步骤3中，设置扰动状态生成加密***的密钥序列和散斑矩阵，扰动状态包括但不限制于力、热、光、电、磁等方面的干扰。
在步骤4中，利用位置相关算法实现图像解密。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对本发明中所需要使用的附图作简单地介绍：
图1是光纤散斑加密***示意图。
图2是传输矩阵生成示意图。
图3是基于传输矩阵的散斑加密及解密技术流程示意图。
在图1光线散斑加密***示意图中：1、激光器2、空间光调制解调器(SLM)3、分束镜4、CCD相机5、加扰装置6、MMF。
具体实施方式
下面将结合附图和技术方案对本发明进一步说明。
1.设计并搭建光纤散斑加密***实验装置。
实现光纤散斑加密***的光路示意图如图1所示，本发明所采用的光纤散斑加密***包含的光学元件可以但不限制于包括：1、激光器2、SLM3、分束镜4、CCD相机5、加扰装置6、MMF。其中激光器产生连续光用于将图像转换为可识别的光信号；原始图像由SLM处输入到该加密***中，这样来自计算机的原始图像就由电信号转变为光信号传播；3处的分束镜通过反射和折射将光束按照1：1分为两束光，一束光照射到4处的CCD上，另一束光照射到光纤的前端面上；第一个(按照从左到右的顺序)4处CCD相机获取的是MMF输入端处的图像信息；5处加扰装置通过扰动(不限于力、热、光、电、磁等方面的扰动)产生不同的加扰状态使输出光场的光参量(不限于偏振、振幅、频率、轨道角动量等)发生改变；最后一个(按照从左到右的顺序)4处CCD相机采集MMF输出端的散斑图像(密文)。
2.依据原始图像像素大小生成相应的传输矩阵。
传输矩阵生成示意图如图2所示，图2展示的是一张n*n像素大小图片的传输矩阵的生成示意图。与n*n像素大小的原始图片相对应的是n*n张像素大小为n*n大小的传输矩阵数据集。传输矩阵数据集中的每张图片只有一个特定位置像素点的值为255其余像素点的值全部为0并且该数据集中的每张图片中像素值为255的点按照特定顺序排列皆不相同。将划分后生成的传输矩阵数据集输入到散斑加密***中生成散斑样式的图片，此类散斑图片组成该特定像素大小的图片的传输矩阵。
3.输入原始图像到光纤散斑加密***中，设置扰动状态生成相应的密钥序列并生成散斑图案，完成图像加密。
设置加扰装置开关产生不同的加扰状态使输出光场的光参量(不限于偏振、振幅、频率、轨道角动量等)发生改变，使得最终生成的散斑图像(密文)呈现随机的变化。散斑虽然具有看似随机的性质但是由光纤和固定光学设备组成的光学******具有确定性。每一次不同的开关组合会产生不同的密钥序列，密钥序列不同导致传输矩阵也会不同。将原始图像由 SLM处输入图像，人为改变加扰装置生成不同的密钥序列对应生成不同的传输矩阵。原始图像经过特定开关状态的加扰装置的加密最终在MMF后端生成加密的图像。
4.将散斑与其对应密钥序列的传输矩阵进行数值运算解密图像。
解密过程中通过计算机对数据进行后期处理实现密文的解密。将通过加密生成的密文与特定密钥序列的传输矩阵进行数值运算，依次计算需解密密文图像矩阵与传输矩阵的相关系数实现图像的解密。
相关系数(Correlation)用来考察两个变量之间的相关程度。本发明根据传输矩阵与密文图像的数据特点使用以下公式计算相关程度。
相关系数计算公式如下：
其中r表示相关系数，
是矩阵A的像素平均值，
是矩阵B的像素平均值。
相关系数的绝对值越大表示传输矩阵与密文相关性越强，相关系数越接近于1或-1，相关度越强，相关系数越接近于0，相关度越弱。
Claims (5)
1.一种基于传输矩阵的散斑加密技术，所述方法包括下列步骤：
步骤1：设计并搭建光纤散斑加密***实验装置；
步骤2：对原始图像进行预处理，依据原始图像像素大小生成相应的传输矩阵；
步骤3：SLM对原始图像进行加载和调制，设置扰动状态生成相应的密钥序列并生成散斑矩阵，完成图像加密；
步骤4：将散斑与其对应密钥序列的散斑矩阵进行数值运算恢复图像，完成图像解密。
2.根据权利要求1中所述的基于传输矩阵的散斑加密技术，其特征在于：在步骤1中，实现原始图像在MMF中的加密的光纤散斑加密***包括但不限制于：1、激光器2、空间光调制解调器(SLM)3、分束镜4、CCD相机5、加扰装置6、MMF。
3.根据权利要求1中所述的基于传输矩阵的散斑加密技术，其特征在于：在步骤2中根据原始图像的像素大小利用n*n像素划分方法生成传输矩阵数据集。
4.根据权利要求1中所述的基于传输矩阵的散斑加密技术，其特征在于：在步骤3中设置扰动状态生成加密***的密钥序列和散斑矩阵，扰动状态包括但不限制于力、热、光、电、磁等方面的干扰。
5.根据权利要求1中所述的基于传输矩阵的散斑加密技术，其特征在于：在步骤4中利用位置相关算法实现图像解密。
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Citations (2)
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| CN113762460A (zh) * | 2021-04-01 | 2021-12-07 | 天津理工大学 | 基于数值散斑的多模光纤传输图像迁移重构算法 |
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Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 朱磊;邵晓鹏;: "散射成像技术的研究进展", 光学学报, no. 01 * |
| 王玲;: "混沌理论应用于数字档案图像安全探析", 兰台世界, no. 09, 6 September 2020 (2020-09-06) * |
| 胡耀华: "基于多模光纤散斑的压缩感知 在光学图像加密中的应用", 《物理学报》, 31 December 2020 (2020-12-31), pages 034203 - 1 * |
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