单透镜彩色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，为实现从光学系统上解决第一块随机相位掩膜在图像为实值时不能起到密钥作用的问题，以及从密钥生成方法上解决密钥管理和传输、密钥更新的问题。本发明专利技术采用的技术方案是，单透镜彩色图像加密系统，包括以下四个部分：(1)密钥生成部分：第一块随机相位掩膜由Duffing混沌系统生成，第二块随机相位掩膜由Tinkerbell混沌系统生成；(2)图像加密部分：通过对三个加密通道的整合，就得到加密的彩色图像；(3)密钥传输部分：为保证密钥传输的安全性，选择RSA公钥算法来加密(2)中所用的密钥；(4)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场合。

【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
，涉及一种单透镜的光学彩色图像加密系统。
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)当待加密的图像为实值图像时，系统的第一块随机相位掩膜起不到密钥作用(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])；3)由于随机相位掩膜不便更新，因此，加密系统易受选择明文攻击和已知明文攻击(见文献[6]，[7])。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]S.Yuan,Y.Xin,M.Liu,S.Yao,andX.Sun,Animprovedmethodtoenhancethesecurityofdoublerandom-phaseencodingintheFresneldomain,Optics&LaserTechnology,2012,44:51-56[6]X.Peng,H.Wei,andP.Zhang,Chosen-plaintextattackonlenslessdouble-randomphaseencodingintheFresneldomain,Opt.Lett.,2006,31:3261-3263[7]U.Gopinathan,D.S.Monaghan,T.J.Naughton,andJ.T.Sheridan,Aknown-plaintextheuristicattackontheFourierplaneencryptionalgorithm.Opt.Express,2006,14:3181-3186。
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，即当图像为实值图像时，第一块随机相位掩膜起不到密钥作用；加密系统中密钥不便管理和传输；由于随机相位密钥不便更新，加密系统易受选择明文攻击和已知明文攻击。针对上述技术问题，本专利技术提供了一种用于彩色图像加密的单透镜光学系统，主要从光学系统上解决了第一块随机相位掩膜在图像为实值时不能起到密钥作用的问题，以及从密钥生成方法上解决了密钥管理和传输、密钥更新的问题。本专利技术采用的技术方案是，单透镜彩色图像加密系统，包括以下四个部分：(1)密钥生成部分：第一块随机相位掩膜由Duffing混沌系统生成，第二块随机相位掩膜由Tinkerbell混沌系统生成，Duffing混沌和Tinkerbell混沌都是二维混沌系统，混沌系统的初值和控制参数在加密系统中作为主密钥，第一块和第二块随机相位掩膜都起主密钥作用，光学系统中用于照射输入图像的入射光波的波长和菲涅耳衍射距离作为加密系统的辅助密钥；(2)图像加密部分：在加密一幅特定的彩色图像前，首先对于Duffing和Tinkerbell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入射光波；设定合适的菲涅耳衍射距离，然后，将一幅待加密的彩色图像分解为R，G，B三个通道，这三个通道在入射光的照射下进行菲涅耳变换，经菲涅耳变换后的三个通道分别被置于透镜前焦面上的第一块混沌随机相位掩模调制，调制后的三个通道经单透镜傅里叶变换后再被置于透镜后焦面上的第二块混沌随机相位掩模调制，经两次变换和两次调制后，就得到加密的R，G，B通道，通过对三个加密通道的整合，就得到加密的彩色图像；(3)密钥传输部分：为保证密钥传输的安全性，选择RSA公钥算法来加密(2)中所用的密钥，对于RSA公钥算法，首先选择两个合适的大素数，用这两个素数生成相应的公钥和私钥，图像加密过程中使用的加密密钥，即混沌系统的初值和控制参数、入射光的波长和菲涅耳衍射距离，经RSA公钥算法中的公钥加密后传给被授权的解密方，解密方收到被加密的密钥后，用自己的私钥先解密出这些密钥，然后再用这些密钥来解密图像；(4)图像解密部分：首先，解密方用解密后得到的混沌参数生成相应的两块随机相位掩膜；然后，将加密后的彩色图像分为R，G，B三个通道，这三个通道分别被置于透镜前焦面上的第二块混沌随机相位掩模的复共轭调制，调制后的三个通道经单透镜逆傅里叶变换后被置于透镜后焦面上的第一块混沌随机相位掩模的复共轭再调制，然后再进行逆菲涅耳变换，就得到解密后的三个通道，通过整合这三个解密后的通道，就得到解密后的彩色图像。用于生成随机相位掩膜的两个二维混沌系统分别为Duffing混沌和Tinkerbell混沌，其离散形式的数学表达式分别为：对于Duffing混沌系统，通常将控制参数设定为a＝2.75和b＝0.2；对于Tinkerbell混沌系统，通常将控制参数设定为a＝0.9,b＝-0.6013,c＝2.0和d＝0.5；xn，yn和xn+1，yn+1分别表示混沌系统的输入值和迭代输出值；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，对于两个二维混沌系统，使其迭代(M×N)/2次后，得到两组随机数序列X1＝{x′1,x′2,…,x′(M×N)/2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单透镜彩色图像加密系统，其特征是，包括以下四个部分：(1)密钥生成部分：第一块随机相位掩膜由Duffing混沌系统生成，第二块随机相位掩膜由Tinkerbell混沌系统生成，Duffing混沌和Tinkerbell混沌都是二维混沌系统，混沌系统的初值和控制参数在加密系统中作为主密钥，第一块和第二块随机相位掩膜都起主密钥作用，光学系统中用于照射输入图像的入射光波的波长和菲涅耳衍射距离作为加密系统的辅助密钥；(2)图像加密部分：在加密一幅特定的彩色图像前，首先对于Duffing和Tinkerbell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入射光波；设定合适的菲涅耳衍射距离，然后，将一幅待加密的彩色图像分解为R，G，B三个通道，这三个通道在入射光的照射下进行菲涅耳变换，经菲涅耳变换后的三个通道分别被置于透镜前焦面上的第一块混沌随机相位掩模调制，调制后的三个通道经单透镜傅里叶变换后再被置于透镜后焦面上的第二块混沌随机相位掩模调制，经两次变换和两次调制后，就得到加密的R，G，B通道，通过对三个加密通道的整合，就得到加密的彩色图像；(3)密钥传输部分：为保证密钥传输的安全性，选择RSA公钥算法来加密(2)中所用的密钥，对于RSA公钥算法，首先选择两个合适的大素数，用这两个素数生成相应的公钥和私钥，图像加密过程中使用的加密密钥，即混沌系统的初值和控制参数、入射光的波长和菲涅耳衍射距离，经RSA公钥算法中的公钥加密后传给被授权的解密方，解密方收到被加密的密钥后，用自己的私钥先解密出这些密钥，然后再用这些密钥来解密图像；(4)图像解密部分：首先，解密方用解密后得到的混沌参数生成相应的两块随机相位掩膜；然后，将加密后的彩色图像分为R，G，B三个通道，这三个通道分别被置于透镜前焦面上的第二块混沌随机相位掩模的复共轭调制，调制后的三个通道经单透镜逆傅里叶变换后被置于透镜后焦面上的第一块混沌随机相位掩模的复共轭再调制，然后再进行逆菲涅耳变换，就得到解密后的三个通道，通过整合这三个解密后的通道，就得到解密后的彩色图像。...

【技术特征摘要】
1.一种单透镜彩色图像加密系统，其特征是，包括以下四个部分：(1)密钥生成部分：第一块随机相位掩膜由Duffing混沌系统生成，第二块随机相位掩膜由Tinkerbell混沌系统生成，Duffing混沌和Tinkerbell混沌都是二维混沌系统，混沌系统的初值和控制参数在加密系统中作为主密钥，第一块和第二块随机相位掩膜都起主密钥作用，光学系统中用于照射输入图像的入射光波的波长和菲涅耳衍射距离作为加密系统的辅助密钥；(2)图像加密部分：在加密一幅特定的彩色图像前，首先对于Duffing和Tinkerbell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入射光波；设定合适的菲涅耳衍射距离，然后，将一幅待加密的彩色图像分解为R，G，B三个通道，这三个通道在入射光的照射下进行菲涅耳变换，经菲涅耳变换后的三个通道分别被置于透镜前焦面上的第一块混沌随机相位掩模调制，调制后的三个通道经单透镜傅里叶变换后再被置于透镜后焦面上的第二块混沌随机相位掩模调制，经两次变换和两次调制后，就得到加密的R，G，B通道，通过对三个加密通道的整合，就得到加密的彩色图像；(3)密钥传输部分：为保证密钥传输的安全性，选择RSA公钥算法来加密(2)中所用的密钥，对于RSA公钥算法，首先选择两个合适的大素数，用这两个素数生成相应的公钥和私钥，图像加密过程中使用的加密密钥，即混沌系统的初值和控制参数、入射光的波长和菲涅耳衍射距离，经RSA公钥算法中的公钥加密后传给被授权的解密方，解...

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