基于涡旋光束和相位恢复算法的图像加密方法技术

一种基于涡旋光束和相位恢复算法的图像加密方法。按如下两大步骤进行：一是加密：利用基于涡旋光束照射下迭代菲涅耳变换的相位恢复算法将待加密图像加密成一块相位板，相位恢复算法的迭代运算中使用的螺旋相位板的拓扑荷数、光波波长、衍射距离都成为解密过程所需的密钥；二是解密：将螺旋相位板和加密过程中得到的相位板根据衍射距离参数正确地放置在光学解密系统中，就可以在系统的输出面上获得解密图像；本发明专利技术提出的加密方法具有解密光路结构简单、所需传递和存储的数据量小以及系统安全性高的优点。

【技术实现步骤摘要】
【
】 本专利技术涉及一种信息安全
，特别是图像的加密方法。 【
技术介绍
】 相位恢复算法是一种通过可测量的光场强度确定光场相位分布的方法，其中运用 最为广泛的有GS算法、HIO算法、YG算法和POCS算法。相位恢复算法已被广泛应用在电 子显微镜、波前再现、面形检测等领域。1996年，Wang等人运用相位恢复算法实现了图像 的纯相位编码。同年，Johnson和Brasher利用相位恢复算法将图像信息加密到两块相位 板中，图像的解密则通过经典的双随机相位加密系统完成。双随机相位加密系统是由美国 Connecticut大学的Refregier和Javidi两位专家在1995年提出，它是光学理论在信息安 全领域的重要运用。相位恢复算法引入光学图像加密领域则大大丰富了光学图像加密的手 段。2004年，中国科学院的司徒国海和张静娟提出了基于线性双随机加密系统框架下的相 位恢复算法加密方法；2010年，哈尔滨工业大学的刘正君结合相位恢复算法和gyrator变 换实现了双图像的加密。目前国内外对相位恢复算法在光学图像加密方面的应用研究主要 集中在相位恢复算法加密型图像加密技术方面的研究，通过运用相位恢复算法进行图像的 加密，将图像信息隐藏到相位板中，解密过程则通过光学手段加以实现，只需将加密过程中 得到的相位板放置在特定的光学解密装置中，在系统的输出面上运用光强探测器就可以直 接获取解密图像。到目前为止提出的基于相位恢复算法的图像加密方法大都采用平行相干 光作为光学解密系统的入射光波，对于不同入射光波在图像加密系统中的应用研究仍有待 展开。 【【专利
技术实现思路
】】 本专利技术要解决的技术问题是提供。 解决上述技术问题采用如下技术措施：基于涡旋光束和相位恢复算法的图像加密 方法按如下步骤进行： (1)加密： (i)函数υ0(χ。，y。）=exp[ilΦ(X。，y。)]表示一螺旋相位板，其中Φ表示空间方 位角，1是拓扑荷数，（?,表示螺旋相位板所在平面的坐标，0〇〇，,少〇) =arctan+，且 X0 当Xtl = 0时，Φ= 0,波长为λ的单位振幅平行相干光入射到该螺旋相位板后生成涡旋光 束，则在涡旋光束传播方向上距螺旋相位板Z1处的光波场复振幅分布为：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于涡旋光束和相位恢复算法的图像加密方法，其特征是按如下步骤进行：(1)加密：(i)函数U0(x0，y0)＝exp[ilφ(x0，y0)]表示一螺旋相位板，其中φ表示空间方位角，l是拓扑荷数，(x0，y0)表示螺旋相位板所在平面的坐标，且当x0＝0时，φ＝0，波长为λ的单位振幅平行相干光入射到该螺旋相位板后生成涡旋光束，则在涡旋光束传播方向上距螺旋相位板z1处的光波场复振幅分布为：U1(x1,y1)=FrTz1,λ[U0(x0,y0)]=exp(jkz1)jλz1∫∫-∞∞U0(x0,y0)exp{jπλz1[(x1-x0)2+(y1-y0)2]}dx0dy0---(1)]]>其中(x1，y1)代表距螺旋相位板z1处平面的坐标，FrT[]代表菲涅耳变换，k是波数，大小为式(1)的逆变换可以表示为：U0(x0,y0)=IFrTz1,λ[U1(x1,y1)]---(2)]]>其中IFrT[]代表逆菲涅耳变换；(ii)接着进入迭代加密运算过程，G(x2，y2)代表待加密的原始图像，其中(x2，y2)表示光束传播方向上距螺旋相位板z1+z2处系统输出面的坐标，在第n次(n＝1，2，3…)迭代过程中，与相位Pn(x2，y2)相乘，特别规定首次迭代运算即当n＝1时，Pn(x1，y1)＝R(x1，y1)，其中R(x1，y1)代表计算机生成的随机相位板，数学上具体表示成exp[2πr(x1，y1)]，r(x1，y1)代表在区间[0，1]上具有均匀概率分布的随机矩阵，对与Pn(x2，y2)的乘积进行一次波长为λ、距离为z2的逆菲涅耳变换，其结果为：Un′(x1,y1)=IFrTz2,λ[G(x2,y2)Pn(x2,y2)]---(3)]]>通过U1(x1，y1)、U′n(x1，y1)得到相位密钥Kn(x1，y1)，计算公式为：Kn(x1,y1)=|U1(x1,y1)|U1(x1,y1)Un′(x1,y1)|Un′(x1,y1)|---(4)]]>其中||表示取模运算；(iii)U1(x1，y1)与相位板Kn(x1，y1)相乘后作一次菲涅耳变换，计算变换后复振幅的强度Gn(x2，y2)，即Gn(x2,y2)=|FrTz2,λ[U1(x1,y1)Kn(x1,y1)]|2---(5)]]>若迭代次数n不大于预先设定的整数N，则进入下轮迭代过程(即第n+1次迭代过程)，第n+1次迭代过程中所需的相位Pn+1(x2，y2)的计算公式为：Pn+1(x2,y2)=FrTz2,λ[U1(x1,y1)Kn(x1,y1)]|FrTz2,λ[U1(x1,y1)Kn(x1,y1)]|---(6)]]>(iv)重复步骤(ii)和(iii)，当迭代次数n达到N时，迭代终止，由式(4)得到KN(x1，y1)，利用螺旋相位板对KN(x1，y1)进行调制，得到加密结果K(x1，y1)，即K(x1,y1)=KN(x1,y1)U0*(x1,y1)---(7)]]>其中“*”表示共轭；(2)解密：(i)根据式(1)由平行光波照射螺旋相位板U0(x0，y0)生成解密所需的涡旋光场U1(x1，y1)，由式(7)可知，螺旋相位板生成的涡旋光场U1(x1，y1)、螺旋相位板U0(x0，y0)以及加密结果K(x2，y2)三者相乘后的结果为U1(x1，y1)KN(x1，y1)；(ii)对上一步骤中获得的U1(x1，y1)KN(x1，y1)进行一次菲涅耳变换，变换后得到的复振幅信息的强度就是解密图像G′(x2，y2)，即G′(x2,y2)=|FrTz2,λ[U1(x1,y1)KN(x1,y1)]|2---(8)]]>综合以上各过程，解密结果可以表示为：G′(x2,y2)=|FrTz2,λ[U1(x1,y1)U0(x1,y1)K(x1,y1)]|2=|FrTz2,λ[U1(x1,y1)KN(x1,y1)]|2=GN(x2,y2)---(9)]]>由上式可知，解密过程需要使用螺旋相位板对加密结果K(x1，y1)进行解密，拓扑荷数l、传播距离z1和z2、相位分布K(x1，y1)都是解密所必需的密钥，解密得到的结果G′(x2，y2)与迭代加密过程中得到的强度图GN(x2，y2)分布相同。...

【技术特征摘要】
1. 一种基于涡旋光束和相位恢复算法的图像加密方法，其特征是按如下步骤进行： (1)加密： (i) 函数Uci(Xc^ytl) = exp [--φ (xQ，y())]表示一螺旋相位板，其中Φ表示空间方位角， 1是拓扑荷数，（χ〇, y〇)表示螺旋相位板所在平面的坐标= arctan +，且当x〇 =0时，φ =〇,波长为λ的单位振幅平行相干光入射到该螺旋相位板后生成涡旋光束，则 在涡旋光束传播方向上距螺旋相位板Z1处的光波场复振幅分布为：其中（Xpy1)代表距螺旋相位板Z1处平面的坐标，FrT □代表菲涅耳变换，k是波数，大 ,2π 小为灸=T，式（1)的逆变换可以表示为：其中IFrT□代表逆菲涅耳变换； (ii) 接着进入迭代加密运算过程，G(x2，y2)代表待加密的原始图像，其中（x2，y 2)表示 光束传播方向上距螺旋相位板21+22处系统输出面的坐标，在第η次（η = 1，2,3···)迭代过 程中，VG(x2，_y2)与相位Pn(X2，y 2)相乘，特别规定首次迭代运算即当η = ι时，Pn(X1J1) =R(Xpy1)，其中R(Xpy1)代表计算机生成的随机相位板，数学上具体表示成exp [2 π r (X1, yi)]，r(Xl，yi)代表在区间[ο，ι]上具有均匀概率分布的随机矩阵，对与 Pn(x2, y2)的乘积进行一次波长为λ、距离为Z2的逆菲涅耳变换，其结果为：通过U1U1, y)、U' n(X1, Y1)得到相位...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪小刚，周国泉，戴朝卿，
申请(专利权)人：浙江农林大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33