一种随机尺寸分割结构化相位板的图像加密与解密方法技术

本发明专利技术涉及一种使用随机尺寸分割的相位模板进行图像加密与解密的方法。首先，在加密方，将随机相位板分解为一系列随机大小的子块；然后，使用随机参数生成的结构函数对每个子块进行填充，按照此方法生成两块随机相位板；接着，使用双随机加密系统对振幅图像进行加密；最后，在解密方，使用共轭的相位板对图像进行解密，恢复出原始图像。本发明专利技术的方法可以更好的提高加密图像的随机性，提高加密系统的安全性，该方法除了可以对灰度图像进行加密以外，还可以用于对彩色图像，高光谱图像以及多幅图像的加密中，具有优异的社会效益和经济效益。

An Image Encryption and Decryption Method for Random Size Segmentation Structured Phase Plate

The invention relates to a method for image encryption and decryption using a phase template of random size segmentation. Firstly, in the encryption side, the random phase plate is decomposed into a series of random size sub-blocks; then, the structure function generated by random parameters is used to fill each sub-block and two random phase plates are generated according to this method; then, the amplitude image is encrypted by double random encryption system; finally, in the decryption side, the image is decrypted and restored by conjugate phase plates. Restore the original image. The method of the present invention can improve the randomness of the encrypted image and the security of the encrypted system. In addition to encrypting the gray image, the method can also be used in encrypting the color image, hyperspectral image and multiple images, and has excellent social and economic benefits.

【技术实现步骤摘要】
一种随机尺寸分割结构化相位板的图像加密与解密方法
本专利技术属于信息安全
，具体涉及一种图像加密与解密技术。
技术介绍
随着互联网以及多媒体技术的不断发展，信息安全方面的问题不容忽视。数字图像作为最重要的信息传递载体之一。在军事、金融、医疗、科研等领域，图像数据往往要进行加密以后在进行传输，用于防止信息的窃取，因此，图像加密技术也越来越受到人们的重视。图像加密的目的是将图像本身所表达的信息进行隐藏，使不掌握密钥的用户无法获得图像的真实内容，而掌握密钥的用户可以通过解密算法，获得真实的图像信息。光学图像加密技术是通过光电系统或者虚拟光学系统，使用一定的算法，对原图像进行一定的扰乱操作，实现图像数据的加密。最早的光学图像加密系统是Refregier和Javidi提出的双随机相位编码系统，该系统在典型的4f系统中，分别在光信号的输入平面和傅立叶频谱面上分别放入一块随机的相位掩模版，其目的是对输入图像的振幅与相位信息分别进行加密，从而达到令输出的密文完全变为一幅白噪声图像的目的。此后该系统又拓展到了分数傅立叶域、菲涅尔域等。加密的手段以及应用领域也有了相当大的发展，从而也进一步的提高了系统的安全性。但是，已经能够证明，被白噪声随机相位板所加密的图像，能够被一些相位恢复算法所破解，即使在密钥完全未知的情况下，通过迭代计算，也能够恢复出图像的信息，达到人眼能够完全辨识的程度。因此，根据相位恢复算法的特点，改进这类系统的加密方式，是需要进一步解决的问题。近年来，提出了结构化的相位密钥进行加密的方式，这类系统中使用的结构化相位密钥是一些函数，通过输入随机参数，产生不同的相位分布模式，但是一般函数中的参数个数只有2-3个左右，这就会使得密钥的空间明显缩小。这样一来，通过穷举参数的方法，很可能就会破解出图像的内容。于是，一些研究者又对相位模板进行分割，得到一系列大小相同的子模板，每块子模板都用随机参数的结构函数进行填充，从而提高加密的随机性。本专利技术专利提出了一种使用随机尺寸分割的相位模板进行图像加密与解密的方法。可以更好的提高加密图像的随机性，提高加密系统的安全性。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提出了一种将随机分割的结构化模板引入到图像加密过程中的方法，为光学图像加密技术提供新的途径。下面结合附图对本专利技术做进一步详细的说明。为实现上述目的，本专利技术的方案包括：如图1所示，加密过程如下：1）待加密的图像为I1(x,y)，将其放置在输入面上，根据灰度图像的特点，将其看作是一个振幅函数。图像的像素尺寸为M*N。将最大的分割层数设定为整数K，该参数最小值为1，最大值为lg(M)和lg(N)中的较小者，首次分割层数设定为1。2）产生一个0-1之间随机浮点数Rk，作为该层分割的阈值，下标k表示当前的分割层数。3）再产生一个0-1之间随机浮点数r，作为比较值，将Rk和r进行比较：①r≤Rk，则将这块相位板的区域进行分割；②r>Rk，则不进行分割。具体的分割方式是，如果该区域的像素尺寸为m*n，则将其分割为2*2的四块，如果m或n为偶数，则子块的尺寸为m/2或n/2；如果m或n为奇数，则子块的尺寸分别为[(m+1)/2和(m-1)/2]或[(n+1)/2和(n-1)/2]。4）重复步骤3），将该层所有的区域进行判断。5）令k=k+1，如果k<K，则继续进行下一层的分割操作，回到步骤2，重新随机产生Rk；如果k≥Rk，则退出分割操作，进行下一步填充操作。6）对已分割相位板的子区域，逐一进行函数填充。使用涡旋相位加二次相位分布的函数进行填充，该函数的表达式为，TSLPM=exp[j*k*(d1*theta+d2*x^2+d3*y^2)]，（1）其中，k为波数，这里取2π；d1，d2和d3均为随机参数；theta，x和y是以该相位区域中心为原点的局部坐标，theta=arctan(y/x)；TSLPM是一个纯相位函数。7）填充完毕后我们就得到了加密所需的第一块相位板，命名为Key1。重复步骤2）-6），再填充一块相位模板，将其命名为Key2。将Key1放在输入面上，将Key2放在傅立叶频谱面上。8）按照下列公式计算，就可以得到输出的密文信息，E1=FFT[FFT(I1*Key1)*Key2]，（2）其中，FFT[-]表示二维快速傅立叶变换，E1为输出的密文信息。9）将加密图像E1和密钥Key2通过保密信道传输到图像接收者一端。如图2所示，解密过程：1）由Key2得到共轭函数分布Key3；2）根据下式计算出解密图像，I2=Abs[FFT(E1*Key3)]，（3）其中，Abs[-]表示取复数的振幅部分，I2为恢复出的明文信息。本专利技术与现有技术相比，有益效果在于：本专利技术提出的使用随机尺寸分割结构化相位板的图像加密方式能够增加密钥的随机性，从而提高加密强度。该方法除了可以对灰度图像进行加密以外，还可以用于对彩色图像，高光谱图像以及多幅图像的加密中，具有优异的社会效益和经济效益。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。图1为本专利技术所述随机尺寸分割结构化相位板的图像加密流程图。图2为本专利技术所述随机尺寸分割结构化相位板的图像解密流程图。图3为本专利技术实施例中使用的待加密图像。图4为本专利技术实施例中生成的随机尺寸分割结构化加密相位板Key1。图5为本专利技术实施例中生成的随机尺寸分割结构化加密相位板Key2。图6为本专利技术实施例中加密图像的振幅分布。图7为本专利技术实施例中加密图像的相位分布。图8为本专利技术实施例中生成的随机尺寸分割结构化解密相位板Key3。图9为本专利技术实施例中获得的解密图像。具体实施方式为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。实施例：图像加密过程：如图3所示，对像素分辨率为512*512的图像“pepper”进行加密。最大分割次数K=4，即最小的分块大小为32*32像素。从K=1到4对应的Rk=[1.00.950.90.85]，结构化函数的随机参数d1，d2和d3的随机取值范围分别为[5,6]，[-15,15]和[-15,15]。根据加密步骤1）到7），可以得到两块随机相位板Key1和Key2，分别如图4和图5所示。根据加密步骤8），对图像“pepper”进行加密，得到加密图像的振幅和相位分布分别如图6和图7所示，可以看到，被加密的图像无论是振幅还是相位都变成了噪声，完全无法看出原始图像的内容。图像解密过程：根据解密步骤1）计算出加密密钥Key2的共轭相位分布Key3，如图8所示。然后再根据解密步骤2）的公式计算出解密图像，解密图像的振幅分布如图9所示，从图中可以看出，在拥有正确密钥的情况下，已经完全恢复出了原始图像的信息。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种使用随机尺寸分割结构化相位板的图像加密与解密方法，其特征在于：包括如下步骤：加密过程如下：1）待加密的图像为I1(x,y)，将其放置在输入面上，根据灰度图像的特点，将其看作是一个振幅函数，图像的像素尺寸为M*N，将最大的分割层数设定为整数K，该参数最小值为1，最大值为lg(M)和lg(N)中的较小者，首次分割层数设定为1；2）产生一个0‑1之间随机浮点数Rk，作为该层分割的阈值，下标k表示当前的分割层数；3）再产生一个0‑1之间随机浮点数r，作为比较值，将Rk和r进行比较：①r≤Rk，则将这块相位板的区域进行分割；②r>Rk，则不进行分割；具体的分割方式是，如果该区域的像素尺寸为m*n，则将其分割为2*2的四块，如果m或n为偶数，则子块的尺寸为m/2或n/2；如果m或n为奇数，则子块的尺寸分别为[(m+1)/2和(m‑1)/2]或[(n+1)/2和(n‑1)/2]；4）重复步骤3），将该层所有的区域进行判断；5）令k=k+1，如果k

【技术特征摘要】
1.一种使用随机尺寸分割结构化相位板的图像加密与解密方法，其特征在于：包括如下步骤：加密过程如下：1）待加密的图像为I1(x,y)，将其放置在输入面上，根据灰度图像的特点，将其看作是一个振幅函数，图像的像素尺寸为M*N，将最大的分割层数设定为整数K，该参数最小值为1，最大值为lg(M)和lg(N)中的较小者，首次分割层数设定为1；2）产生一个0-1之间随机浮点数Rk，作为该层分割的阈值，下标k表示当前的分割层数；3）再产生一个0-1之间随机浮点数r，作为比较值，将Rk和r进行比较：①r≤Rk，则将这块相位板的区域进行分割；②r>Rk，则不进行分割；具体的分割方式是，如果该区域的像素尺寸为m*n，则将其分割为2*2的四块，如果m或n为偶数，则子块的尺寸为m/2或n/2；如果m或n为奇数，则子块的尺寸分别为[(m+1)/2和(m-1)/2]或[(n+1)/2和(n-1)/2]；4）重复步骤3），将该层所有的区域进行判断；5）令k=k+1，如果k<K，则继续进行下一层的分割操作，回到步骤2，重新随机产生Rk；如果k≥Rk，则退出分割操作，进行下一...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙文卿，王军，陈宝华，范君柳，唐云海，吴泉英，
申请(专利权)人：苏州科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32