基于回转域内高维混沌系统和QR码的图像加密方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于回转域内高维混沌系统和QR码的图像加密方法，包括对原始明文图像的加密和解密，首先，将待加密图像转换为相应的QR码f(x,y)，之后将其与随机相位掩膜r1(x,y)和r2(x',y')进行回转变换，得到密文图像，并猜测QR码的初始估计值f0(x,y)；于模拟光学系统进行迭代，将得到光学产物gk(x″,y″)中的幅度部分用密文图像代替进行回转变换，最后再将其与QR码之间的相关系数值CC作为收敛准则，将QR码的三个位置检测图案作为支持约束，当相关系数值CC＝0.9978时，结束迭代，即得到解密的QR码。该方法对闭塞攻击、噪声攻击、密钥蛮力攻击具有很强的鲁棒性，且具有抗毁损能力。

【技术实现步骤摘要】
基于回转域内高维混沌系统和QR码的图像加密方法
本专利技术属于图像处理
，具体涉及一种基于回转域内高维混沌系统和QR码的图像加密方法。
技术介绍
众所周知，利用光学技术实现图像安全已成为近几十年来的一个重要研究课题。自从Refregier和Javidi在傅里叶变换域中提出了著名的基于双随机相位编码(DRPE)的图像加密体系结构以来，国内外很多专家学者已经提出了大量利用不同光学技术的图像加密方案，为纯光学密码系统提供了潜在的解决方案。近年来，Javidi等人概述了利用自由空间光学在加密方向的潜力、最新进展和挑战，例如新的图像加密方法、数据压缩、相位检索算法、纳米或微米尺度的实现、重影成像和量子成像。由于固有的线性问题，基于DRPE架构的图像加密方案具有严重的安全风险，即它容易受到几种形式的攻击，如已知明文攻击等。为了增强安全性，基于DRPE的体系结构已经扩展到各种变换域，如分数傅里叶变换域、菲涅耳变换域、旋转器变换(GT)域、分数角变换域、分数随机变换域、分数梅林变换域、旋转器小波变换域和提升小波变换频域等。这些方案的输出通常是复杂的幅度分布，由于空间光调制器等光学元件不能同时记录相位和幅度数据，因此不便于存储和传输。为了避免将复杂的数据视为密文，由于张燕和王波最初提出不使用迭代计算而将普通图像加密为两个纯相位掩膜(POMs)，因此提出了大量基于干扰的方案。当在解密的过程中部署任何一个合成掩模时，可以推测地检测普通图像的轮廓信息。此外，专家学者们还提出了大量基于不同混沌映射的图像加密方案，其中普通图像可以编码为实值函数。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于回转域内高维混沌系统和QR码的图像加密方法，解决了现有技术中存在的重建图像失真问题和密钥管理不便的问题。本专利技术所采用的技术方案是，基于回转域内高维混沌系统和QR码的图像加密方法，包括对原始明文图像的加密和解密，具体步骤如下：所述加密过程，具体包括以下步骤：步骤1，将待加密图像转换为相应的QR码f(x,y)；步骤2，对步骤1后得到的QR码f(x,y)进行光学模拟调制，调制过程如下：将QR码f(x,y)与随机相位掩膜r1(x,y)进行相乘，并进行旋转角度为α1的回转变换，之后再与随机相位掩膜r2(x',y')进行相乘，并进行旋转角度为α2的回转变换，即得到密文图像；所述解密过程，具体包括以下步骤：步骤3，根据步骤2中得到的密文图像，猜测QR码的初始估计值f0(x,y)；步骤4，在模拟光学系统中，将经步骤3后得到的QR码的初始估计值f0(x,y)在进行第k次迭代时fk(x,y)被相干平行光照射，并与随机相位掩膜r1(x,y)进行相乘，并进行旋转角度为α1的回转变换，之后再将QR码的初始估计值f0(x,y)与随机相位掩膜r2(x',y')进行相乘，并进行旋转角度为α2的回转变换，得到光学产物gk(x″,y″)；步骤5，将经步骤4后得到的光学产物gk(x″,y″)中的幅度部分用密文图像代替，并保持相位部分不变，得到光学产物步骤6，将经步骤5后的光学产物进行旋转角度为α1和旋转角度为α2的回转变换，得到光学产物步骤7，将经步骤6后得到的光学产物与QR码之间的相关系数值CC作为收敛准则，将QR码的三个位置检测图案作为支持约束，当相关系数值CC＝0.9978时，结束迭代，即得到解密的QR码。本专利技术的特点还在于，步骤2中，密文图像，如式(1)所示：为旋转角度为α1的回转变换，为旋转角度为α2的回转变换。步骤2中，随机相位掩膜r1(x,y)、r2(x',y')、旋转角度α1和旋转角度α2均由Chen系统随机生成，具体步骤如下：所述Chen系统，如式(2)所示：式(2)中，控制参数a＝35，控制参数b＝3，控制参数c∈[20，28.4]；步骤2.1，对Chen系统进行迭代，令x0＝0.25、y0＝1.005和z0＝0.35，则产生三个不同的具有非周期和非收敛性质的随机值序列xi、yi和zi；步骤2.2，将经步骤2.1后中产生的随机值序列xi和yi，分别保留最后m×n个迭代值，形成序列S1和S2，如式(3)及式(4)所示：S1＝2π×((abs(xi)-floor(abs(xi)))×1014mod(256))/255(3)；S2＝2π×((abs(yi)-floor(abs(yi)))×1014mod(256))/255(4)；步骤2.3，将经步骤2.2后得到的序列S1和S2分别进行(reshape(S1,[],m×n))，(reshape(S2,[],m×n))排列，即获得二维矩阵S1'(i,j)和S2'(i,j)，如式(5)及式(6)所示：{S1′(i,j)|i＝1,2,...,M；j＝1,2,...,N}(5)；{S2′(i,j)|i＝1,2,...,M；j＝1,2,...,N}(6)；步骤2.4，将经步骤2.3后得到的二维矩阵S1'(i,j)和S2'(i,j)分别进行(r1(x,y)＝exp(is1′(i,j))和(r2(x′,y′)＝exp(is′2(i,j))操作，即可得到随机相位掩膜r1(x,y)和r2(x′,y′)；步骤2.5，经步骤2.4后，保留随机值序列Zi的最后2K个值，形成序列S3，如式(7)所示：S3＝floor((abs(zi)-floor(abs(zi)))×1014)(7)；步骤2.6，在经步骤2.5后，在平面图像中随机选取任一元素的坐标(mi,ni)，坐标mi和坐标ni，分别如式(8)及式(9)所示：mi＝S3(2i)modM(8)；ni＝S3(2i+1)modN(9)；其中，式(8)及式(9)中：i＝1,2,...k；步骤2.7，经步骤2.6后，将坐标mi和坐标ni分别进行如式(10)和式(11)的计算规则，得到旋转角度α1和旋转角度α2；步骤4中，光学产物gk(x″,y″)，如式(12)所示：步骤5中，光学产物如式(13)所示：式(13)中，arg(gk(x″,y″))用于提取参数的相位部分。步骤6中，光学产物如式(14)所示：式(14)中：为旋转角度为α1的逆回转变换，为旋转角度α2的逆回转变换；conj(·)为返回参数的共轭值。步骤7中，收敛准则，如式(15)及式(16)所示：式(15)中，β为调节参数，用于调整迭代过程的收敛速度，β＝0.09；γ为调节参数，用于保证公式(16)中的分母不为零，γ＝0.0001；E[·]为期望值运算符。本专利技术的有益效果是，该方法中的密文为实值函数，便于密文的存储和传输；且只有Chen系统的三个初始值被用作私钥，密钥管理方便；另外，由于Chen系统初值灵敏度高，因此，大大提高了该算法的安全性；同时，由于旋转器变换的旋转角等参数是互信息产生的，不能直接访问，因此对已知明文攻击等各种可能的攻击也具有很强的抵抗能力。附图说明图1是本专利技术基于回转域内高维混沌系统和QR码的图像加密方法实施例中的待加密图像；图2是本专利技术基于回转域内高维混沌系统和QR码的图像加密方法实施例中QR码图像；图3是本专利技术基于回转域内高维混沌系统和QR码的图像加密方法实施例中的密文图像；图4是本专利技术基于回转域内高维混沌系统和QR码的图像加密方法实施例中的随机相位掩膜图像r1(x,y)；图5是本专利技术基于回转域内高维混沌系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于回转域内高维混沌系统和QR码的图像加密方法，其特征在于，包括对原始明文图像的加密和解密，具体步骤如下：所述加密过程，具体包括以下步骤：步骤1，将待加密图像转换为相应的QR码f(x,y)；步骤2，对步骤1后得到的QR码f(x,y)进行光学模拟调制，调制过程如下：将QR码f(x,y)与随机相位掩膜r1(x,y)进行相乘，并进行旋转角度为α1的回转变换，之后再与随机相位掩膜r2(x',y')进行相乘，并进行旋转角度为α2的回转变换，即得到密文图像；所述解密过程，具体包括以下步骤：步骤3，根据步骤2中得到的密文图像，猜测QR码的初始估计值f0(x,y)；步骤4，在模拟光学系统中，将经步骤3后得到的QR码的初始估计值f0(x,y)在进行第k次迭代时fk(x,y)被相干平行光照射，并与随机相位掩膜r1(x,y)进行相乘，并进行旋转角度为α1的回转变换，之后再将QR码的初始估计值f0(x,y)与随机相位掩膜r2(x',y')进行相乘，并进行旋转角度为α2的回转变换，得到光学产物gk(x″,y″)；步骤5，将经步骤4后得到的光学产物gk(x″,y″)中的幅度部分用密文图像代替，并保持相位部分不变，得到光学产物...

【技术特征摘要】
1.基于回转域内高维混沌系统和QR码的图像加密方法，其特征在于，包括对原始明文图像的加密和解密，具体步骤如下：所述加密过程，具体包括以下步骤：步骤1，将待加密图像转换为相应的QR码f(x,y)；步骤2，对步骤1后得到的QR码f(x,y)进行光学模拟调制，调制过程如下：将QR码f(x,y)与随机相位掩膜r1(x,y)进行相乘，并进行旋转角度为α1的回转变换，之后再与随机相位掩膜r2(x',y')进行相乘，并进行旋转角度为α2的回转变换，即得到密文图像；所述解密过程，具体包括以下步骤：步骤3，根据步骤2中得到的密文图像，猜测QR码的初始估计值f0(x,y)；步骤4，在模拟光学系统中，将经步骤3后得到的QR码的初始估计值f0(x,y)在进行第k次迭代时fk(x,y)被相干平行光照射，并与随机相位掩膜r1(x,y)进行相乘，并进行旋转角度为α1的回转变换，之后再将QR码的初始估计值f0(x,y)与随机相位掩膜r2(x',y')进行相乘，并进行旋转角度为α2的回转变换，得到光学产物gk(x″,y″)；步骤5，将经步骤4后得到的光学产物gk(x″,y″)中的幅度部分用密文图像代替，并保持相位部分不变，得到光学产物步骤6，将经步骤5后的光学产物进行旋转角度为α1和旋转角度为α2的回转变换，得到光学产物步骤7，将经步骤6后得到的光学产物与QR码之间的相关系数值CC作为收敛准则，将QR码的三个位置检测图案作为支持约束，当相关系数值CC＝0.9978时，结束迭代，即得到解密的QR码。2.根据权利要求1所述的基于回转域内高维混沌系统和QR码的图像加密的加密方法，其特征在于，所述步骤2中，密文图像，如式(1)所示：为旋转角度为α1的回转变换，为旋转角度为α2的回转变换。3.根据权利要求1所述的基于回转域内高维混沌系统和QR码的图像加密方法，其特征在于，所述步骤2中，随机相位掩膜r1(x,y)、r2(x',y')、旋转角度α1和旋转角度α2均由Chen系统随机生成，具体步骤如下：所述Chen系统，如式(2)所示：式(2)中，控制参数a＝35，控制参数b＝3，控制参数c∈[20，28.4]；步骤2.1，对Chen系统进行迭代，令x0＝0.25、y0＝1.005和z0＝0.35，则产生三个不同的具有非周期和非收敛性质的随机值序列xi、yi和zi；步骤2.2，将经步骤2.1后中产生的随机值序列xi和yi，分别保留最后m×n个迭代值，形成序列S1和S2，如式(3)及式(4)所示：S1＝2π×((abs(xi)-floor(abs(xi)...

【专利技术属性】
技术研发人员：隋连升，徐敏杰，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61