Gyrator变换域中的非线性光学图像加密方法技术

本发明专利技术涉及信息安全和光信息处理技术领域，为实现有效抵抗已知明文攻击、选择明文攻击等多种密码攻击，使得加密方法的安全性得到进一步的保证。此外，还具有较强的抗暴力攻击、统计攻击、噪声攻击和剪切攻击等的能力。本发明专利技术，Gyrator变换域中的非线性光学图像加密方法，步骤如下：1)图像的加密部分：在加密过程中，待加密的图像首先被第一块随机相位掩模调制，然后在平面光的照射下进行角度为a1的Gyrator变换；得到加密后的图像；2)图像的解密部分：加密后的图像首先被第二次切相操作得到的相位分布部分调制，然后在平面光的照射下进行Gyrator变换的逆变换,得到解密后的图像。本发明专利技术主要应用于信息安全场合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及信息安全和光信息处理
，尤其涉及一种Gyrator变换域中的非线性光学图像加密方法。
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])。此外，作为一种广义的傅里叶变换，Gyrator变换也可用于光学图像加密中(见文献[4])。然而，大多数基于双随机相位编码方法的图像加密系统是线性对称密码系统，即加密过程与解密过程使用的密钥相同。此类线性对称密码系统易受选择明文攻击和已知明文攻击等(见文献[5]和[6])。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]J.Rodrigo,T.Alieva,M.Calvo,Gyratortransform:propertiesandapplications,Opt.Express,2007,15:2190-2203[5]X.Peng,P.Zhang,H.Wei,andB.Yu,Known-plaintextattackonopticalencryptionbasedondoublerandomphasekeys,Opt.Lett.,2006,31:1044-1046[6]W.Stallings,CryptographyandNetworkSecurity:PrinciplesandPractice,4thed.(PrenticeHall,2006)
技术实现思路
为克服现有技术的不足，本专利技术旨在实现有效抵抗已知明文攻击、选择明文攻击等多种密码攻击，使得加密方法的安全性得到进一步的保证。此外，还具有较强的抗暴力攻击、统计攻击、噪声攻击和剪切攻击等的能力。本专利技术采用的技术方案是，Gyrator变换域中的非线性光学图像加密方法，步骤如下：1)图像的加密部分：在加密过程中，待加密的图像首先被第一块随机相位掩模调制，然后在平面光的照射下进行角度为a1的Gyrator变换；对经角度为a1的Gyrator变换后的复数形式的图像进行切相位操作，得到振幅分布部分和相位分布部分；振幅分布部分被第二块随机相位掩模调制，然后在平面光的照射下进行角度为a2的Gyrator变换；对经角度为a2的Gyrator变换后的复数形式的图像再进行切相位操作，得到振幅分布部分和相位分部部分，其中振幅分布部分即是加密后的图像；2)图像的解密部分：在解密过程中，解密密钥为加密过程中两次切相位操作所得到的相位分布部分；加密后的图像首先被第二次切相操作得到的相位分布部分调制，然后在平面光的照射下进行角度为a2的Gyrator变换的逆变换；经变换后的复数形式的图像的模被第一次切相操作得到的相位分布部分调制，然后在平面光的照射下进行角度为a1的Gyrator变换的逆变换；对上述变换后的复数形式的图像取模，得到解密后的图像。加密过程中使用的密钥为两块随机相位掩模，其数学表达式分别为exp[jφ(x,y)]和其中，φ(x,y)和为二维随机矩阵；(x,y)和(u,v)分别为两块随机相位掩膜所处位置的坐标，j表示虚数单位，待加密的图像P(x,y)首先被第一块随机相位掩模exp[jφ(x,y)]调制，然后在平面光的照射下进行角度为a1的Gyrator变换，得到如下形式：其中，W(u,v)为第二块随机相位掩膜前携带图像信息的物光波，为角度为a1的Gyrator变换，角度为a的二维Gyrator变换有如下形式：其中，U0(x0,y0)表示输入图像，U(x,y)表示经Gyrator变换后的图像；(x0,y0)和(x,y)分别表示输入图像和变换后图像的坐标；π表示圆周率；对式(1)进行切相位操作，得到振幅分布部分Aw(u,v)和相位分布部分Pw(u,v)：Aw(u,v)＝|W(u,v)|(2)Pw(u,v)＝W(u,v)/|W(u,v)|(3)振幅分布部分Aw(u,v)被第二块随机相位掩模调制，然后在平面光的照射下进行角度为a2的Gyrator变换，得到如下形式：其中，O(ξ,η)为输出面处携带图像信息的物光波，(ξ,η)为输出面处的坐标，为角度为a2的Gyrator变换；对式(4)进行切相位操作，得到振幅分布部分Ao(ξ,η)和相位分布部分Po(ξ,η)：Ao(ξ,η)＝|O(ξ,η)|(5)Po(ξ,η)＝O(ξ,η)/|O(ξ,η)|(6)其中，Ao(ξ,η)就是加密后的图像；在解密过程中，解密密钥为Pw(u,v)和Po(ξ,η)，加密后的图像Ao(ξ,η)首先被Po(ξ,η)调制，然后在平面光的照射下进行角度为a2的Gyrator变换的逆变换；经变换后的复数形式的图像的模被Pw(u,v)调制，然后在平面光的照射下进行角度为a1的Gyrator变换的逆变换；对上述变换后的复数形式的图像取模，就可以得到解密后的图像本专利技术的特点及有益效果是：本专利技术提供的图像加密方法中，加密过程所用的密钥与解密过程所用的密钥不同。该非线性光学图像加密方法可以有效抵抗已知明文攻击、选择明文攻击等多种密码攻击。Gyrator变换角度作为加解密过程中的辅助密钥，使得加密方法的安全性得到了进一步的保证。此外，大量的数值仿真实验表明，该非线性光学图像加密方法还具有较强的抗暴力攻击、统计攻击、噪声攻击和剪切攻击等的能力。附图说明：图1为本专利技术提供的图像加密方法的原理示意图；图2本专利技术加解密图像示意图。图中：(a)为待加密的原图像；(b)为本加密方法加密的图像；(c)为所有密钥均正确时的解密图像；图3解密图像对比图。图中：(a)为使用第一块随机相位掩模解密得到的图像；(b)为使用第二块随机相位掩模解密得到的图像；(c)为使用错误的Pw(u,v)解密得到的图像；(d)为使用错误的Po(ξ,η)解密得到的图像；(e)为使用错误的Gyrator变换角度a1解密得到的图像；(f)为使用错误的Gyrator变换角度a2解本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Gyrator变换域中的非线性光学图像加密方法，其特征是，步骤如下：1)图像的加密部分：在加密过程中，待加密的图像首先被第一块随机相位掩模调制，然后在平面光的照射下进行角度为a1的Gyrator变换；对经角度为a1的Gyrator变换后的复数形式的图像进行切相位操作，得到振幅分布部分和相位分布部分；振幅分布部分被第二块随机相位掩模调制，然后在平面光的照射下进行角度为a2的Gyrator变换；对经角度为a2的Gyrator变换后的复数形式的图像再进行切相位操作，得到振幅分布部分和相位分部部分，其中振幅分布部分即是加密后的图像；2)图像的解密部分：在解密过程中，解密密钥为加密过程中两次切相位操作所得到的相位分布部分；加密后的图像首先被第二次切相操作得到的相位分布部分调制，然后在平面光的照射下进行角度为a2的Gyrator变换的逆变换；经变换后的复数形式的图像的模被第一次切相操作得到的相位分布部分调制，然后在平面光的照射下进行角度为a1的Gyrator变换的逆变换；对上述变换后的复数形式的图像取模，得到解密后的图像。

【技术特征摘要】
1.一种Gyrator变换域中的非线性光学图像加密方法，其特征是，步骤如下：1)图像的加密部分：在加密过程中，待加密的图像首先被第一块随机相位掩模调制，然后在平面光的照射下进行角度为a1的Gyrator变换；对经角度为a1的Gyrator变换后的复数形式的图像进行切相位操作，得到振幅分布部分和相位分布部分；振幅分布部分被第二块随机相位掩模调制，然后在平面光的照射下进行角度为a2的Gyrator变换；对经角度为a2的Gyrator变换后的复数形式的图像再进行切相位操作，得到振幅分布部分和相位分部部分，其中振幅分布部分即是加密后的图像；2)图像的解密部分：在解密过程中，解密密钥为加密过程中两次切相位操作所得到的相位分布部分；加密后的图像首先被第二次切相操作得到的相位分布部分调制，然后在平面光的照射下进行角度为a2的G...

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