基于光场成像与数字重聚焦技术的多图像加密和解密方法技术

本发明专利技术涉及一种基于光场成像与数字重聚焦技术的多图像加密和解密方法，通过构造由微透镜阵列和放置在其后的离散型图像接收器组成的光场成像加密系统，对多幅明文图像同时进行加密，使加密过程密钥使用复杂性降低，有效减少网络图像传输负载，提高加密效率；同时由于冗余信息的存在，在部分信息丢失的情况下，仍旧可以通过解密恢复出原有图像信息，提高了明文加密方法的抗干扰性。此外，在使用光场成像加密后，可以把获得的加密图像中的每一个子图像作为一个元素，再次或多次对图像阵列进行加密，提高明文图像在空间域和变化域的非线性和无序性，大大提高加密方法的安全性。

【技术实现步骤摘要】
基于光场成像与数字重聚焦技术的多图像加密和解密方法
本专利技术涉及一种图像处理技术，特别涉及一种基于光场成像与数字重聚焦技术的多图像加密和解密方法。
技术介绍
随着互联网的快速发展，信息数据集成处理技术越来越多的得到重视。在对数据的处理和运用中，信息往往通过网络进行传输，信息传输便捷性的提高随之带来的是信息安全隐患。图像作为数据信息的一种表现形式，其安全性的重要性也受到了广泛关注。图像加密作为图像信息安全的一种保障形式，越来越受到重视。传统的图像加密算法本质是一种保密算法，大多基于混沌理论，如采用置换—混淆结构对图像加密，将输入图像转换杂乱无章的数据，通过不同的混沌系统随机数序对图像进行置换和混淆加密。其主要特点是需要由密钥和初始参数产生，与图像性质无关，不便之处在于加密过程中明文数据具有单一性，在图像数据传输过程中明文一旦遭受攻击，图像数据就会受到影响，影响解密后的图像数据。为防止遭受攻击而受到的图像损失，有人针对数字图像特点提出各种基于矩阵变换/像素置乱的加密方法，进而避免明文受损，然而这些方法未充分考虑明文和置乱随机性等问题，难以抵抗选择性明文攻击。此外，当前的图像加密算法大部分是利用图像的矩阵特性，在图像的空域(或频域)，按某种变换规则，改变像素的位置或值，将原始图像变得杂乱无序，使其区别于原有效果，在整个加密过程中密钥称为加密的必须因素，大部分加密算法仅局限于单幅的图像加密，需要根据每幅图像特性对密钥进行修正方可对不同图像加密。若在加密传输中，对多幅图像进行加密，会造成计算量过载，加密时间过长，且加密文件大小会影响传输过程的负载以及传输时间。近年来，将各种光学加密技术引入到图像加密中成为研究热点，例如在傅里叶域、离散余弦变换域和菲涅尔域等。虽然这些光学加密技术具有高速处理多维数据的能力，但是对于图像的加密仅停留在单图像或双图像。对于双图像加密，可见报导都是将相位掩码作为私有密钥，但此方法不利于密钥储存、传输和管理。在光场图像加密方面，有人提出通过实际的透镜阵列对单个目标图像加密，由于相邻透镜所产生的信息冗余量和透镜阵列对明文信息成像的分散性，起到对明文的加密的作用，但在加密过程中，被加密图像的有效采集距离有限，且在图像复原过程中，由于解密算法与加密图像相关性较高，被解密图像的重建效果对于图像解密算法依赖性较高，解密重建方法不具备同一性，不同图像的解密方法会造成解密图像关键信息容易造成失真或丢失。且加密图像数量局限于单幅图像，自身计算量又较大，加密效率较低。
技术实现思路
本专利技术是针对光场图像加密存在的问题，提出了一种基于光场成像与数字重聚焦技术的多图像加密和解密方法，可同时对多幅图像进行加密和解密，使加密过程密钥使用复杂性降低，有效减少网络图像传输负载，提高加密效率；同时由于冗余信息的存在，在部分信息丢失的情况下，仍旧可以通过解密恢复出原有图像信息，是一种具备高应用价值的图像加密方法。本专利技术的技术方案为：一种基于光场成像与数字重聚焦技术的多图像加密和解密方法，具体包括如下步骤：多图像加密：1)构造光场成像加密系统：用数学模型或实际光学元件构造光场成像加密系统，构造光场成像加密系统包括一个M×M微透镜阵列和放置在其后的离散型图像接收器，微透镜阵列中子透镜的焦距f′，子透镜孔径大小d，子透镜分辨率即为每个子透镜后对应的离散型图像接收器的像素数为N×N，微透镜阵列中子透镜的间距为φ，微透镜阵列与离散型图像接收器的距离等于微透镜阵列中子透镜的焦距f′；2)设置多幅待加密图像的物距：将多幅待加密图像放置在透镜阵列前方不同物距位置处；3)将待加密的多幅图像通过光场成像加密系统进行光场成像，每一幅待加密图像的信息经光场成像加密系统成像后，仅占据整幅光场加密图像的部分空间，不能完全遮挡住其他被加密图像，如遮挡了就调整物距，调整后离散型图像接收器得到待加密图像的光场加密图像X1，实现光场信息的采集；4)采用混沌理论、像素置乱、信息隐写或如傅里叶域、离散余弦变换域和菲涅尔域中的任意一种或几种光学加密技术对获得的光场加密图像进行二次加密或多次加密，得到二次加密后图像X2或多次加密后图像；多图像解密：A：输入待待解密图像，用步骤4)所选光学加密技术的密钥和加密算法，逆向运算进行解密处理，得到解密图像X1′；B：利用数字重聚焦技术对步骤A解密出的光场加密图像X1′进行解密：利用高斯公式计算每个加密图像的成像像距l′，其中l为步骤3)调整后的各个加密图像物距，通过计算出各个加密图像对应的垂轴放大率；再通过Δ＝φ·β，计算出不同物距加密图像在加密光场图像中子图像间的偏移量Δ，再分别对M×M个子图像进行对准并合成，合成公式如下：其中(s,t)为光场图像中心的子图像中心坐标，s＝(N-1)/2，t＝(N-1)/2，k’和k”分别为以光场图像中心子图像为原点的子图像索引序号，其中k’为水平方向索引序号，k”为垂直方向索引序号，(k’＝0，k”＝0)处表示中心子图像，且k’，k”的取值范围为-(M-1)/2≤k′≤(M-1)/2，-(M-1)/2≤k″≤(M-1)/2，最终得到的图像即为解密后的图像。本专利技术的有益效果在于：本专利技术基于光场成像与数字重聚焦技术的多图像加密和解密方法，通过构造光场成像系统，同时对多幅图像进行加密，为明文图像提供了更多的自由度，降低了图像加密中对单次加密多幅的限制，进而提高了图像加密的便捷性；同时由于本方法加密和解密过程中信息的冗余性较高，所以即使在信息加密传输中受到破解攻击而造成部分数据损失的情况下，也仍旧能够恢复出解密图像，不会对最终的解密结果产生很大影响，提高了明文加密方法的抗干扰性。此外，在光场成像加密后，可以把每一个子图像作为一个元素，再次对图像阵列进行加密，使明文图像在空间域和变化域的非线性和无序性得到很大提高，进而大大提高加密方法的安全性。将被加密图像的物距，透镜焦距和子孔径大小等光学系统参数作为私有密钥，具有一定的独立性，扩大了密钥空间，提高了密钥的传输、管理和存储，只有所有密钥正确才能解密出原始图像，加密图像可以更好地应对常规攻击破解，进一步提高了方法的安全性和有效性。附图说明图1为本专利技术加密流程图；图2为本专利技术解密流程图；图3a为本专利技术待加密明文图像A图；图3b为本专利技术待加密明文图像B图；图3c为本专利技术待加密明文图像C图；图4为本专利技术光场加密图；图5为本专利技术子图像的Arnold变换位置置换后的加密图图；图6为本专利技术对整幅光场图像的Arnold变换位置置换后的加密图；图7为本专利技术子图像索引序号示意图；图8a为本专利技术解密后明文图像A图；图8b为本专利技术解密后明文图像B图；图8c为本专利技术解密后明文图像C图。具体实施方式为提高保密等级，首先使用光场成像方法得到一次加密图像X1，然后运用其他加密算法得到二次加密图像X2。为说明方便，实施例中二次加密采用了Arnold变换，也可采用其他如混沌理论、像素置乱、信息隐写或如傅里叶域、离散余弦变换域和菲涅尔域等等光学加密方法。图1是加密流程图，图2是解密流程图。具体实施步骤如下：第1步：构造光场成像加密系统在计算机中建立数学模型，用以模拟计算多幅图像通过透镜阵列后得到的光场图像。构造的光场成像加密系统数学模型包括一个M×M微透镜阵列和放置在其后的离本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光场成像与数字重聚焦技术的多图像加密和解密方法，其特征在于，具体包括如下步骤：多图像加密：1)构造光场成像加密系统：用数学模型或实际光学元件构造光场成像加密系统，构造光场成像加密系统包括一个M×M微透镜阵列和放置在其后的离散型图像接收器，微透镜阵列中子透镜的焦距f′，子透镜孔径大小d，子透镜分辨率即为每个子透镜后对应的离散型图像接收器的像素数为N×N，微透镜阵列中子透镜的间距为φ，微透镜阵列与离散型图像接收器的距离等于微透镜阵列中子透镜的焦距f′；2)设置多幅待加密图像的物距：将多幅待加密图像放置在透镜阵列前方不同物距位置处；3)将待加密的多幅图像通过光场成像加密系统进行光场成像，每一幅待加密图像的信息经光场成像加密系统成像后，仅占据整幅光场加密图像的部分空间，不能完全遮挡住其他被加密图像，如遮挡了就调整物距，调整后离散型图像接收器得到待加密图像的光场加密图像X1，实现光场信息的采集；4)采用混沌理论、像素置乱、信息隐写或如傅里叶域、离散余弦变换域和菲涅尔域中的任意一种或几种光学加密技术对获得的光场加密图像进行二次加密或多次加密，得到二次加密后图像X2或多次加密后图像；多图像解密：A：输入待待解密图像，用步骤4)所选光学加密技术的密钥和加密算法，逆向运算进行解密处理，得到解密图像X1′；B：利用数字重聚焦技术对步骤A解密出的光场加密图像X1′进行解密：利用高斯公式计算每个加密图像的成像像距l′，其中l为步骤3)调整后的各个加密图像物距，通过计算出各个加密图像对应的垂轴放大率；再通过Δ＝φ·β，计算出不同物距加密图像在加密光场图像中子图像间的偏移量Δ，再分别对M×M个子图像进行对准并合成，合成公式如下：A′=1NΣk=1(M-1)/2X1′(s+k′·Δ,t+k′′·Δ),]]>其中(s,t)为光场图像中心的子图像中心坐标，s＝(N‑1)/2，t＝(N‑1)/2，k’和k”分别为以光场图像中心子图像为原点的子图像索引序号，其中k’为水平方向索引序号，k”为垂直方向索引序号，(k’＝0，k”＝0)处表示中心子图像，且k’，k”的取值范围为‑(M‑1)/2≤k′≤(M‑1)/2，‑(M‑1)/2≤k″≤(M‑1)/2，最终得到的图像即为解密后的图像。...

【技术特征摘要】
1.一种基于光场成像与数字重聚焦技术的多图像加密和解密方法，其特征在于，具体包括如下步骤：多图像加密：1)构造光场成像加密系统：用数学模型或实际光学元件构造光场成像加密系统，构造光场成像加密系统包括一个M×M微透镜阵列和放置在其后的离散型图像接收器，微透镜阵列中子透镜的焦距f′，子透镜孔径大小d，子透镜分辨率即为每个子透镜后对应的离散型图像接收器的像素数为N×N，微透镜阵列中子透镜的间距为φ，微透镜阵列与离散型图像接收器的距离等于微透镜阵列中子透镜的焦距f′；2)设置多幅待加密图像的物距：将多幅待加密图像放置在透镜阵列前方不同物距位置处；3)将待加密的多幅图像通过光场成像加密系统进行光场成像，每一幅待加密图像的信息经光场成像加密系统成像后，仅占据整幅光场加密图像的部分空间，不能完全遮挡住其他被加密图像，如遮挡了就调整物距，调整后离散型图像接收器得到待加密图像的光场加密图像X1，实现光场信息的采集；4)采用混沌理论、像素置乱、信息隐写或如傅里叶域、离散余弦变换域和菲涅尔域中的任意一种或几种光学加密技术对获得的光场加密图像进行二次加密或多次加密，得到二次加密后图像X2或多次加密后图像；多图像解密：A：输入待待解密图像，用步骤4)所选光学加密技术的密钥和加密算...

【专利技术属性】
技术研发人员：张薇，速晋辉，尤素萍，金易弢，陆艺丹，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海;31