一种光学图像加密算法制造技术

本发明专利技术提供一种光学图像加密算法，属于图像加密领域，首先，对输入图像进行归一化处理；基于Logistic映射，利用输入图像的像素特性，生成其初值，通过迭代Logistic映射，输出混沌相位掩码；借助相位掩码，对图像完成调制，并结合Fourier变换，对调制图像进行处理，输出其Fourier频谱；再对该频谱分别进行等模分解，获得两个掩码；再基于不同分数阶的Fourier机制，对两个掩码进行变换；最后，引入相位‑幅度截断编码技术，有效解决了轮廓显现问题。实验结果显示与当前基于干涉原理的图像加密机制相比，所提算法的安全性更高，有效消除了轮廓显现问题。

An optical image encryption algorithm

The present invention provides an optical image encryption algorithm, which belongs to the field of image encryption, firstly, the input image is normalized; based on Logistic mapping, using pixel characteristics of the input image, generating the initial value by iterative Logistic mapping, the output chaotic phase mask; the phase mask, to complete the image modulation, and combined with the Fourier transform, to processing of the modulation image, the output of its Fourier spectrum; then the spectrum of mode decomposition, obtained two mask; based on Fourier mechanism of different fractional order, to transform the two mask; finally, the introduction of phase truncation amplitude encoding technology, can effectively solve the silhouette problem. The experimental results show that compared with the current image encryption mechanism based on interference principle, the proposed algorithm is more secure and effectively eliminates the problem of contour appearance.

【技术实现步骤摘要】
一种光学图像加密算法
本专利技术涉及图像加密
，具体的来说是涉及一种光学图像加密算法。
技术介绍
随着经济的全球化，信息安全问题日益突出，已成为全球关注焦点，尤其是互联网与计算机技术的快速发展与应用，信息泄露或篡改日益严重。而图像因其具有良好的视觉直观表达特点，且含有丰富的内容信息，成为用户进行沟通交流的重要介质，给用户带来便利，然而，在开放网络的传输中，图像信息易被攻击，导致其内容信息被篡改或泄露，给人们带来了巨大的损失。为了应对日益突出的图像信息安全问题，研究人员提出了图像加密技术，主要分为两大类：混沌加密与光学加密。而光学加密技术以其多密钥维度和高速并行处理的优势，得到了国内外学者的广泛关注，如朱薇等人为了提高光学加密技术的安全性，提高其抗攻击能力，通过引入混沌理论，提出了基于混沌的改进双随机相位编码图像加密算法，利用不同的混沌映射来生成所需要的随机模板，从而增加密钥空间与系统复杂度，实验结果显示其算法具有较高的安全性。但其解密图像存在较大失真，对噪声较为敏感。为此，Deng等人提出了全相位编码耦合干涉原理的图像加密技术，通过利用全相位编码技术，将图像编码为纯相位图像，再利用双随机编码技术，对图像完成加密，输出幅度与相位信息，实验结果验证了其算法的有效性。Chen等人提出了为了提高算法的安全性，设计了基于多光束干涉与矢量分解的光学加密技术，将输入明文编码成纯相位掩码，再借助多光束干涉原则，完成图像加密，实验结果显示其输出密文具有较高的抗攻击能力。曾大奎等人为了提高算法的抗剪切与抗噪声能力，设计了基于两步正交相移干涉的光学图像加密技术，利用物光波对应的光路经过两次菲涅尔变换,并结合双随机相位编码，用数字化记录介质记录两幅数字全息图作为加密图像。但是，此类基于干涉原理的加密技术是将明文的所有信息集中在一个纯相位掩码中，使其存在轮廓显现问题。为了消除轮廓问题，提高密文的抗攻击强度，需要专利技术设计出一种图像加密算法。
技术实现思路
本专利技术提供一种光学图像加密算法，解决现有图像加密算法存在轮廓显现和抗攻击强度不高的问题。本专利技术通过以下技术方案解决上述问题：1.一种光学图像加密算法，包括如下步骤：步骤1：对明文图像f(x,y)进行归一化处理得到归一化图像f1'(x,y)，其中x、y分别代表图像x轴和y轴的尺寸；步骤2：利用归一化图像f1'(x,y)中的像素特性，来生成初值x'0；步骤3：将初始值x'0通过Logistic函数：xn+1＝μxn(1-xn)迭代M×N次后得到随机系列[x1,x2,......xM×N]，其中M、N为原始图像的长和宽的尺寸，n为正整数，xn为初始值为x'0经过n次迭代后的值；步骤4：把随机系列[x1,x2,......xM×N]转化成2D矩阵Z，把Z中的每个元素乘以2π得到归一化图像f1'(x,y)的混沌掩码exp(i2πφ(x,y))，其中，i为正整数，φ(x,y)为掩码函数，x，y表示掩码尺寸；步骤5：利用混沌掩码exp(i2πφ(x,y))对归一化图像f1'(x,y)进行调制得到调制图像f”(x,y)，调制算式为：步骤6：利用分数阶Fourier变换对调制图像f”(x,y)进行处理得到Fourier频谱；步骤7：将Fourier频谱进行等模分解得到两个掩码TR1(x,y),TR2(x,y)；步骤8：对两个掩码进行分数阶为β的Fourier变换得到原始密文T1(x,y),T2(x,y)，其中x、y表示坐标轴的坐标是数值，对T1(x,y)变换的为β1＝0.6°，对T2(x,y)变换的为β2＝0.8°；步骤9：对原始密文T1(x,y),T2(x,y)进行相位-幅度截断编码得到最终的密文。上述方案中，优选的是步骤2中生成初值x'0的具体过程为：引入64位外部密钥K，密钥K为随机抽取所得，将其变为8个部分：K＝k1,k2.....k8利用子密钥ki，i为小于8的正整数，计算初步初始值x0并依据f1'(x,y)中所有像素值，获取对应的加权像素总和：其中，h(i)是f1'(x,y)中所有明文像素值的整数序列，i为整数；同时，为了防止H0超出灰度区间[0,255]，需对H0完成归一化，其函数如下：再利用H1更新x0，计算公式为：x'0＝x0+H1其中，H1为归一化加权像素总和，x0为初步初始值，x'0为初始值。上述方案中，优选的是步骤6中处理过程为：Fourier变换函数为其中，Kα是变换核；(x,y)、(x0,y0)分别为输入、输出无量纲平面坐标，根据式上式和调制算式对明文进行Fourier变换得到Fourier频谱I(x,y).其中，Fα是明文图像的α阶Fourier变换，α＝0.5°。上述方案中，优选的是步骤8中变换过程为通过下式：其中，T1(x,y),T2(x,y)分别为原始密文，A(x,y)＝|I(x,y),P(x,y)＝argI(x,y)|，θ(x,y)＝2πφ(x,y)＝arg[T1(x,y)]，i为整数。上述方案中，优选的是相位-幅度截断编码的过程为：其中，PT[],AT[]分别是相位截断、幅度截断，类似地，对第2个掩码T2(x,y)进行加密对于输入明文，A1(x0,y0),A2(x0,y0)为最终的编码密文，而K1(x0,y0),K2(x0,y0)为解密密钥。本专利技术的优点与效果是：本专利技术通过等模分解技术，将输入明文演变为4个不同的相位与幅度信息，避免图像信息仅保留在纯相位掩码中，有效解决了轮廓显现问题。实验结果显示与当前基于干涉原理的图像加密机制相比，所提算法的安全性更高，有效消除了轮廓显现问题。附图说明图1为本专利技术加密过程流程图；图2为本专利技术Logistic函数的Lyapunov指数图；图3为本专利技术Logistic函数的自相关性图；图4为本专利技术混沌相位掩码图；图5为本专利技术明文图像的Fourier变换对比图；图6为本专利技术等模分解示意图；图7为本专利技术加密结果图。具体实施方式以下结合实施例对本专利技术作进一步说明。相干叠加耦合模均等矢量分解的光学图像加密算法过程见图1，其包含了3个过程：(1)基于Logistic映射与明文像素的混沌相位掩码的生成；(2)基于Fourier机制与混沌掩码的明文变换；(3)基于等模分解技术与Fourier机制的图像加密。令f(x,y)为初始彩图，其尺寸为M×N，通过对其进行归一化处理，得到f1'(x,y)。随后，引入Logistic混沌映射来生成混沌相位掩码，对f1'(x,y)完成调制处理。其中，Logistic映射函数为xn+1＝μxn(1-xn)(1)其中，μ∈(04]为混沌控制参数；xi为系统变量。图2显示了式(1)的动力特性与其随机序列的自相关性。依图2可知，Logistic映射在区间[0.82,4]内具有良好的混沌行为，其Lyapunov指数均大于0。在此区间内，其输出的混沌序列具有理想的伪随机性为了验证其混淆序列的随机性，取u＝2.6,x0＝0.53,序列长度N＝4000，在统计测试库TestU01上进行随机序列的自相关性测试，结果见图3，其序列的相关性系数都靠近0。这表明Logistic映射在区间[0.82,4]内，其输出的数字序列具有良好的随机性。当前，Logistic映射已被诸多国内外学者用于数字图像加密。通过设置好μ与x本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学图像加密算法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：对明文图像f(x,y)进行归一化处理得到归一化图像f1'(x,y)，其中x、y分别代表图像x轴和y轴的尺寸；步骤2：利用归一化图像f1'(x,y)中的像素特性，来生成初值x'0；步骤3：将初始值x'0通过Logistic函数：xn+1＝μxn(1‑xn)迭代M×N次后得到随机系列[x1,x2,......xM×N]，其中M、N为原始图像的长和宽的尺寸，n为正整数，xn为初始值为x'0经过n次迭代后的值；步骤4：把随机系列[x1,x2,......xM×N]转化成2D矩阵Z，把Z中的每个元素乘以2π得到归一化图像f1'(x,y)的混沌掩码exp(i2πφ(x,y))，其中，i为正整数，φ(x,y)为掩码函数，x，y表示掩码尺寸；步骤5：利用混沌掩码exp(i2πφ(x,y))对归一化图像f1'(x,y)进行调制得到调制图像f”(x,y)，调制算式为：

【技术特征摘要】
1.一种光学图像加密算法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：对明文图像f(x,y)进行归一化处理得到归一化图像f1'(x,y)，其中x、y分别代表图像x轴和y轴的尺寸；步骤2：利用归一化图像f1'(x,y)中的像素特性，来生成初值x'0；步骤3：将初始值x'0通过Logistic函数：xn+1＝μxn(1-xn)迭代M×N次后得到随机系列[x1,x2,......xM×N]，其中M、N为原始图像的长和宽的尺寸，n为正整数，xn为初始值为x'0经过n次迭代后的值；步骤4：把随机系列[x1,x2,......xM×N]转化成2D矩阵Z，把Z中的每个元素乘以2π得到归一化图像f1'(x,y)的混沌掩码exp(i2πφ(x,y))，其中，i为正整数，φ(x,y)为掩码函数，x，y表示掩码尺寸；步骤5：利用混沌掩码exp(i2πφ(x,y))对归一化图像f1'(x,y)进行调制得到调制图像f”(x,y)，调制算式为：步骤6：利用分数阶Fourier变换对调制图像f”(x,y)进行处理得到Fourier频谱；步骤7：将Fourier频谱进行等模分解得到两个掩码TR1(x,y),TR2(x,y)；步骤8：对两个掩码进行分数阶为β的Fourier变换得到原始密文T1(x,y),T2(x,y)，其中x、y表示坐标轴的坐标是数值，对T1(x,y)变换的为β1＝0.6°，对T2(x,y)变换的为β2＝0.8°；步骤9：对原始密文T1(x,y),T2(x,y)进行相位-幅度截断编码得到最终的密文。2.根据权利要求1所述的一种光学图像加密算法，其特征在于：所述步骤2中生成初值x'0的具体过程为：引入64位外部密钥K，密钥K为随机抽取所得，将其变为8个部分：K＝k1,k2.....k8利用子密钥ki，i为小于8的正整数，计算初步初始值x0并依据f1'(x,y)中所有像素值，获取对应的加权像素总和：其中，h(i)是f1'(x,y)中所有明文像素值的整数序列，i为整数；同时，为了防止H0超出灰度区间[0,255]，需对H0完成归一化，其函数如下：再利用H1更新x0，计算公式为：x'0＝x0+H1其中，H1为归一化加权像素总和，x0为初步初始值，x'0为初始值。3.根据权利要求1所述的一种光学图像加密算法，其特征在于：所述步骤6中处理过程为：Fourier变换函数为

【专利技术属性】
技术研发人员：张博，
申请(专利权)人：长沙师范学院，
类型：发明
国别省市：湖南,43