结合混合混沌和单帧数字全息技术的图像加密系统技术方案

本发明专利技术属于信息安全和光信息处理技术领域，为实现主要从光学系统上解决加密图像为复数形式不便直接记录的问题，以及从密钥生成方法上解决密钥管理和传输的问题。本发明专利技术采用的技术方案是，结合混合混沌和单帧数字全息技术的图像加密系统，包括以下三个部分：(1)密钥生成部分：两块随机相位掩模密钥分别由Logistic和ICMIC混沌组成的混合混沌及Logistic和Chebyshev混沌组成的混合混沌生成；混合混沌的初值和控制参数替代两块随机相位掩模作为加密系统的主密钥；此外，物光波的波长和菲涅耳变换距离作为加密系统的辅助密钥；(2)图像加密部分：(3)图像解密部分。本发明专利技术主要应用于信息安全和光信息处理。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于信息安全和光信息处理
，涉及一种结合混合混沌和单帧数字全息技术的光学图像加密系统。
技术介绍
数字图像作为当前最流行的多媒体形式之一，在政治、经济、军事、教育等领域有着广泛的应用。在互联网技术高度发达的今天，如何保护数字图像免遭篡改、非法复制和传播具有重要的实际意义。对图像加密技术的研究已成为当前信息安全领域的热点之一。由于光学信息处理技术具有高处理速度、高并行度、能快速实现卷积和相关运算等优点，近年来，利用光学方法进行数字图像加密引起了人们的极大兴趣(见文献[1])。在光学图像加密技术中，最具有代表性的是Javidi等提出的基于光学4f系统的双随机相位编码方法(见文献[2])。该技术开辟了光学图像加密的新领域，基于该技术诞生了一大批光学加密新方法和新技术(见综述文献[3])。然而，大多数基于双随机相位编码方法的光学图像加密技术中，存在如下问题：1)加密后的图像为复数形式，不便于直接记录(见文献[4])；2)系统的加密密钥为图像尺寸的随机相位掩膜，因此，密钥管理和传输不便(见文献[5])。参考文献：[1]O.Matoba,T.Nomura,E.Perez-Cabre,M.Millan,andB.Javidi,Opticaltechniquesforinformationsecurity,ProceedingsofIEEE2009,97:1128-1148[2]P.RéfrégierandB.Javidi,OpticalimageencryptionbasedoninputplaneandFourierplanerandomencoding,Opt.Lett.,1995,20:767-769[3]S.Liu,C.Guo,andJ.T.Sheridan,Areviewofopticalimageencryptiontechniques,Optics&LaserTechnology,2014,57:327-342[4]W.Chen,B.JavidiandX.Chen,Advancesinopticalsecuritysystems,AdvancesinOpticsandPhotonics,2014,6:120-155[5]L.Sui,K.DuanandJ.Liang,Double-imageencryptionbasedondiscretemultiple-parameterfractionalangulartransformandtwo-coupledlogisticmaps,Opt.Commun.,2015,343:140-149。
技术实现思路
基于光学4f系统的双随机相位编码技术，以及基于该技术而发展起来的一系列光学图像加密技术，大都存在以下问题，即加密图像通常为复数形式，不便于直接记录；加密系统中密钥为图像尺寸的随机相位掩模，密钥不便管理和传输。针对上述技术问题，本专利技术提供了一种结合混合混沌和单帧数字全息技术的光学图像加密系统，主要从光学系统上解决加密图像为复数形式不便直接记录的问题，以及从密钥生成方法上解决密钥管理和传输的问题。本专利技术采用的技术方案是，结合混合混沌和单帧数字全息技术的图像加密系统，包括以下三个部分：(1)密钥生成部分：两块随机相位掩模密钥分别由Logistic和ICMIC混沌组成的混合混沌及Logistic和Chebyshev混沌组成的混合混沌生成；混合混沌的初值和控制参数替代两块随机相位掩模作为加密系统的主密钥；此外，物光波的波长和菲涅耳变换距离作为加密系统的辅助密钥；(2)图像加密部分：在加密一幅特定的图像前，首先对两个混合混沌系统，设定合适的初值和控制参数；选择合适波长的光波作为物光波；设定合适的菲涅耳变换距离；然后，将待加密的图像紧贴在第一块混沌随机相位掩模的前侧，在物光波的照射下，进行距离为z1的菲涅耳变换，然后，经第二块混沌随机相位掩模调制后，进行距离为z2的菲涅耳变换；携带图像信息的物光波在CCD平面与参考光进行干涉，形成全息图并被CCD记录，该全息图形式的图像即为加密后的图像；(3)图像解密部分：当从全息图形式的加密图像中解密原始图像时，采用单帧数字全息技术将此问题作为一个约束优化问题来求解，将从该约束优化问题中求得的目标函数作为解密过程的输入图像，该输入图像被第二块混沌随机相位掩模的复共轭调制后进行距离为z2的逆菲涅耳变换，然后再进行距离为z1的逆菲涅耳变换，最后再被第一块混沌随机相位掩模的复共轭调制，就最终得到解密后的图像。组成两个混合混沌系统的一维混沌系统分别为Logistic混沌、ICMIC混沌和Chebyshev混沌，这三个一维混沌系统的离散形式的数学表达式分别为：xn+1＝μxn(1-xn)(1)xn+1＝sin(a/xn)(2)xn+1＝cos(w(cos-1xn))(3)其中，控制参数的取值范围分别为μ∈(3.56…,4]，a∈(0,∞)和w∈[2,∞)。Logistic混沌和ICMIC混沌组成第一个混合混沌，用于生成第一块混沌随机相位掩模，第一个混合混沌的数学表达式为：其中，xn，yn和xn+1，yn+1分别为混沌系统的输入值和迭代输出值；Logistic混沌和Chebyshev混沌组成第二个混合混沌，用于生成第二块混沌随机相位掩模，第二个混合混沌的数学表达式为：在这两个混合混沌中，给Logistic混沌赋一个合适的初值，Logistic混沌的迭代结果作为另一个混沌的初始值，另一个混沌再进行一定次数的迭代后，形成的随机数序列可用于生成混沌随机相位掩模。对于两个混合混沌，其中的Logistic混沌的初始值设为x1＝x2＝0.3141，控制参数设为μ1＝μ2＝3.8956；ICMIC混沌的控制参数设为a＝12.5098，Chebyshev混沌的控制参数设为w＝4。假设要加密的图像的尺寸为M×N个像素，则两块混沌随机相位掩膜的尺寸也是M×N个像素。对于每个混合混沌，使其中的Logistic混沌迭代M×N次后，输出结果xn+1作为另一个混沌的初始值。另一个混沌迭代M×N次后，得到一个随机数序列Y＝{y1,y2,…,yM×N本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种结合混合混沌和单帧数字全息技术的图像加密系统，其特征是，包括以下三个部分：(1)密钥生成部分：两块随机相位掩模密钥分别由Logistic和ICMIC混沌组成的混合混沌及Logistic和Chebyshev混沌组成的混合混沌生成；混合混沌的初值和控制参数替代两块随机相位掩模作为加密系统的主密钥；此外，物光波的波长和菲涅耳变换距离作为加密系统的辅助密钥；(2)图像加密部分：在加密一幅特定的图像前，首先对两个混合混沌系统，设定合适的初值和控制参数；选择合适波长的光波作为物光波；设定合适的菲涅耳变换距离；然后，将待加密的图像紧贴在第一块混沌随机相位掩模的前侧，在物光波的照射下，进行距离为z1的菲涅耳变换，然后，经第二块混沌随机相位掩模调制后，进行距离为z2的菲涅耳变换；携带图像信息的物光波在CCD平面与参考光进行干涉，形成全息图并被CCD记录，该全息图形式的图像即为加密后的图像；(3)图像解密部分：当从全息图形式的加密图像中解密原始图像时，采用单帧数字全息技术将此问题作为一个约束优化问题来求解，将从该约束优化问题中求得的目标函数作为解密过程的输入图像，该输入图像被第二块混沌随机相位掩模的复共轭调制后进行距离为z2的逆菲涅耳变换，然后再进行距离为z1的逆菲涅耳变换，最后再被第一块混沌随机相位掩模的复共轭调制，就最终得到解密后的图像。...

【技术特征摘要】
1.一种结合混合混沌和单帧数字全息技术的图像加密系统，其特征是，包括以下三个部分：(1)密钥生成部分：两块随机相位掩模密钥分别由Logistic和ICMIC混沌组成的混合混沌及Logistic和Chebyshev混沌组成的混合混沌生成；混合混沌的初值和控制参数替代两块随机相位掩模作为加密系统的主密钥；此外，物光波的波长和菲涅耳变换距离作为加密系统的辅助密钥；(2)图像加密部分：在加密一幅特定的图像前，首先对两个混合混沌系统，设定合适的初值和控制参数；选择合适波长的光波作为物光波；设定合适的菲涅耳变换距离；然后，将待加密的图像紧贴在第一块混沌随机相位掩模的前侧，在物光波的照射下，进行距离为z1的菲涅耳变换，然后，经第二块混沌随机相位掩模调制后，进行距离为z2的菲涅耳变换；携带图像信息的物光波在CCD平面与参考光进行干涉，形成全息图并被CCD记录，该全息图形式的图像即为加密后的图像；(3)图像解密部分：当从全息图形式的加密图像中解密原始图像时，采用单帧数字全息技术将此问题作为一个约束优化问题来求解，将从该约束优化问题中求得的目标函数作为解密过程的输入图像，该输入图像被第二块混沌随机相位掩模的复共轭调制后进行距离为z2的逆菲涅耳变换，然后再进行距离为z1的逆菲涅耳变换，最后再被第一块混沌随机相位掩模的复共轭调制，就最终得到解密后的图像。2.如权利要求1所述的结合混合混沌和单帧数字全息技术的图像加密系统，其特征是，组成两个混合混沌系统的一维混沌系统分别为Logistic混沌、ICMIC混沌和Chebyshev混沌，这三个一维混沌系统的离散形式的数学表达式分别为：xn+1＝μxn(1-xn)...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐晨，苏永钢，李碧原，程佳佳，陈明明，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12