基于相位恢复算法和干涉原理的数字图像加密方法技术

一种基于相位恢复算法和干涉原理的数字图像加密方法。按如下两大步骤进行：一是加密：利用一块随机相位模板作为加密密钥，将加密密钥与待加密图像分别作为相位恢复算法中输入平面与输出平面的约束条件，通过迭代运算得到加密结果，即输入面上不同于加密密钥的另一个相位模板和傅立叶频域上的相位模板；二是解密：解密密钥与加密过程中生成的输入面上的相位模板叠加后进行傅立叶变换，变换结果经傅立叶频域上的相位模板调制后作逆傅立叶变换，对变换后的结果取振幅得到的图像即为解密结果。本发明专利技术提出的图像加密方法具有迭代算法收敛速度快、解密简单快速和安全性高的优点。

【技术实现步骤摘要】


技术介绍
本专利技术涉及一种基于相位恢复算法和干涉原理的数字图像加密方法，属于信息安全

技术介绍
近年来，基于光电信息处理的图像加密技术越来越受到人们的关注。其中，基于4f系统的光学双随机相位编码技术的应用较为广泛。但双随机相位编码技术在加密过程中需要同时记录信息的振幅和相位，在图像解密时光学效率不高。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，属于解决“逆问题”的重要技术，其设计思想在光学信息安全中也就有着广泛应用。1996年，Johnson和Brasher利用相位恢复算法将图像信息加密到两块相位模板中，解密则在经典的光学双随机相位编码系统中完成。基于光学干涉原理的图像加密方法的研究则是最近几年光学图像安全处理研究领域出现的新热点。此类方法具有加密运算简单，光学解密方便的特点。只需运用光强探测器，如CCD就可以在解密系统的输出面上方便地得到解密结果。但是直接利用干涉方法得到的相位模板存在信息泄露问题，当作为加密结果的其中任意一块相位模板放置在解密装置中时，在输出面上就能看到原图像的轮廓。许多基于相位恢复算法或干涉原理的加密方法都是采用数值计算的方式将图像加密成几块相位分布不同的相位模板，解密时采用光学手段。光学解密所需硬件成本高，灵活性低，对相位模板的空间排列精度要求非常高，因此在实际应用上目前仍受到很大限制。基于光学信息安全处理技术的加密方法与发展程度已经非常高的数字技术相结合，能有效推动光学信息安全技术的实际应用。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供基于相位恢复算法和干涉原理的数字图像加密方法。解决上述技术问题采用如下技术措施：基于相位恢复算法和干涉原理的数字图像加密方法按如下步骤进行：(1)加密：(i)f(x,y)代表待加密图像，R(x,y)、和是计算机生成的三个随机相位模板，它们分别可以具体表示成exp[r0(x,y)]、exp[r1(x,y)]和exp[r2(u,ν)]，其中(x,y)和(u,ν)分别表示空间域和傅立叶频域的坐标，r0(x,y)、r1(x,y)和r2(u,ν)代表三个在区间[0，2π]上具有均匀概率分布并且统计无关的随机矩阵，他们的尺寸大小与f(x,y)相同，运用迭代傅立叶变换进行加密时，R(x,y)作为加密密钥使用，和则仅用于初次迭代运算，第j次(j＝1,2,3…)迭代运算能够生成第j+1次迭代运算所需要的两个相位模板和(ii)当进行第j次迭代运算时，首先对f(x,y)和的乘积作傅立叶变换，得到波函数即 ψ 1 ( j ) ( u , ν ) = F T [ f ( x , y ) K 1 ( j ) ( x , y ) ] - - - ( 1 ) ]]>其中FT代表傅立叶变换，接着，的振幅和的乘积作一次逆傅立叶变换，得到新的波函数即 ψ 2 ( j ) ( x , y ) = I F T { P T [ ψ 1 ( j ) ( u , ν ) ] K 2 ( j ) ( u , ν )本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于相位恢复算法和干涉原理的数字图像加密方法，其特征是按如下步骤进行：(1)加密：(i)f(x,y)代表待加密图像，R(x,y)、和是计算机生成的三个随机相位模板，它们分别可以具体表示成exp[r0(x,y)]、exp[r1(x,y)]和exp[r2(u,ν)]，其中(x,y)和(u,ν)分别表示空间域和傅立叶频域的坐标，r0(x,y)、r1(x,y)和r2(u,ν)代表三个在区间[0，2π]上具有均匀概率分布并且统计无关的随机矩阵，他们的尺寸大小与f(x,y)相同，运用迭代傅立叶变换进行加密时，R(x,y)作为加密密钥使用，和则仅用于初次迭代运算，第j次(j＝1,2,3…)迭代运算能够生成第j+1次迭代运算所需要的两个相位模板和(ii)当进行第j次迭代运算时，首先对f(x,y)和的乘积作傅立叶变换，得到波函数即ψ1(j)(u,ν)=FT[f(x,y)K1(j)(x,y)]---(1)]]>其中FT代表傅立叶变换，接着，的振幅和的乘积作一次逆傅立叶变换，得到新的波函数即ψ2(j)(x,y)=IFT{[ψ1(j)(u,ν)]K2(j)(u,ν)}---(2)]]>其中PT代表取振幅运算，即除去复振幅的相位信息，IFT代表逆傅立叶变换；(iii)和加密密钥R(x,y)计算得到一个相位模板P1(j)(x,y)，计算公式为：P1(j)(x,y)=ψ2(j)(x,y)-R(x,y)PT[ψ2(j)(x,y)-R(x,y)]+α---(3)]]>其中α是一个大于零但数值很小的常数，相位模板P1(j)(x,y)与加密密钥R(x,y)相加后作一次傅立叶变换，得到一个新的波函数即ψ3(j)(μ,ν)=FT[P1(j)(x,y)+R(x,y)]---(4)]]>对进行取相位操作，得到相位模板即K2(j+1)(μ,ν)=PR[ψ3(j)(μ,ν)]---(5)]]>其中PR代表取相位运算，即除去复振幅的振幅信息；(iv)利用的相位信息和由式(1)得到的ψ1(j)(μ,ν)计算得到新的相位模板计算公式为：P2(j)(μ,ν)={PR[ψ3(j)(μ,ν)]}*PR[ψ1(j)(μ,ν)]---(6)]]>其中*表示复共轭运算，对与的乘积作一次逆傅立叶变换后得到波函数即ψ4(j)(x,y)=IFT[ψ3(j)(u,ν)-P2(j)(u,ν)]---(7)]]>对变换后得到的复振幅进行取相位和取振幅操作，分别得到用于下次迭代的相位模板和振幅分布即K1(j+1)(x,y)=PR[ψ4(j)(x,y)]---(8)]]>fd(j)(x,y)=PT[ψ4(j)(x,y)]---(9)]]>由此，在第j次迭代运算过程中分别由式(5)、式(8)得到了第j+1次迭代运算过程所需的两个相位模板和分别由式(3)、式(6)得到的两块相位模板P1(j)(x,y)和则作为本次(即第j次)迭代运算图像f(x,y)的两个加密结果；(v)重复步骤(i)‑(iv)，直到定义的均方差(Mean Square Error，MSE)达到设计的精度值或者循环次数达到设置的最大迭代次数为止，均方差定义为：MSE(f,fd(j))=1M×NΣn=1MΣm=1N|f(m,n)-fd(j)(m,n)|2---(10)]]>其中M,N表示图像的尺寸，f(m,n)和分别表示两幅振幅图像在像素点(m,n)的值，通过MSE可以反映出所进行的迭代运算的收敛性，当迭代次数总共完成J次时迭代运算终止，根据式(3)、式(6)分别得到两块相位模板P1(J)(x,y)和它们就是原始图像f(x,y)的加密结果，分别重新记作P1(x,y)和P2(μ,ν)；(2)解密：(i)R(x,y)作为解密密钥与相位模板P1(x,y)相加后作一次傅立叶变换，变换后得到波函数ψd(μ,ν)，即ψd(μ,ν)＝FT[P1(x,y)+R(x,y)]    (11)(ii)ψd(μ,ν)与另一相位模板P2(μ,ν)相乘后作一次逆傅立叶变换，对变换后得到的复振幅进行取振幅操作得到解密结果，即fd(x,y)＝PT{IFT[ψd(μ,ν)P2(μ,ν)]}    (12)由式(4)、(7)、(9)、(11)和(12)可以得到：fd(x,y)=fd(J)(x,y)---(13)]]>也就是说，解密得到的...

【技术特征摘要】
1.一种基于相位恢复算法和干涉原理的数字图像加密方法，其特征是按如下步骤进行：(1)加密：(i)f(x,y)代表待加密图像，R(x,y)、和是计算机生成的三个随机相位模板，它们分别可以具体表示成exp[r0(x,y)]、exp[r1(x,y)]和exp[r2(u,ν)]，其中(x,y)和(u,ν)分别表示空间域和傅立叶频域的坐标，r0(x,y)、r1(x,y)和r2(u,ν)代表三个在区间[0，2π]上具有均匀概率分布并且统计无关的随机矩阵，他们的尺寸大小与f(x,y)相同，运用迭代傅立叶变换进行加密时，R(x,y)作为加密密钥使用，和则仅用于初次迭代运算，第j次(j＝1,2,3…)迭代运算能够生成第j+1次迭代运算所需要的两个相位模板和(ii)当进行第j次迭代运算时，首先对f(x,y)和的乘积作傅立叶变换，得到波函数即 ψ 1 ( j ) ( u , ν ) = F T [ f ( x , y ) ...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪小刚，陈翼翔，徐一清，
申请(专利权)人：浙江农林大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33