一种基于QR码的多图像加密容量提升方法技术

本发明专利技术提出了一种基于QR码的多图像加密容量提升方法，属于光学多图像加密领域。在传统的多图像加密方法中，解密图像受到其它图像的串扰噪声影响较为严重，即使引入具有纠错容量的QR码做为数据容器，加密图片数量最多也只能达到6张。本发明专利技术在基于QR码的多图像加密方法基础上，对解密后被串扰噪声污染的QR码进行增强处理：首先用QR码每个小模块的灰度平均值来代替整个模块的灰度值，然后求出此时QR码的最佳分割阈值并进行二值化处理，最后对QR码中功能区的错误部分进行替换或修补。经过处理后的QR码可以很容易被扫码软件识别，在其它条件不变的情况下，使得能够容纳的加密图片数量增加到18张，极大地提高了加密容量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于QR码的多图像加密容量提升方法
本专利技术属于光学多图像加密领域。尤其涉及一种基于QR码的多图像加密容量提升方法。
技术介绍
近几十年以来，利用光学技术实现图像信息的加密、存储和传输已成为重要的研究课题。1995年，Refregier和Javidi首次提出了经典的双随机相位编码(DRPE)结构，这是用于图像加密的最重要的自由空间光学技术，得到了海内外学者的密切关注。随着研究的深入，许多改进方案陆续出现，已经扩展到菲涅耳域、分数傅里叶域及其它的光学变换域。然而，这些光学加密方法都属于单图像加密，为了提高加密效率，满足信息的快速、大量传输等特点，研究人员开始尝试研究多图像加密技术。自从使用波长多路复用的多图像加密技术被提出以来，多图像加密受到越来越多的关注，各种新方案层出不穷，例如位置复用、基于联合变换相关器架构的波长复用、密钥轮换复用等。然而，上述这些方法都存在着明显缺点，即无法避免的串扰噪声。因为最终的加密图像是通过直接叠加获得，并一同记录在介质上，当提取其中某一部分数据时，其它数据会以噪声的形式重现。由于串扰噪声的影响，多图像加密的容量一直受到限制，通常的加密方法只能加密2～3幅，制约了多图像加密技术的实用化。为了解决多图像加密中的串扰噪声问题，提升加密容量，研究者尝试了许多方法。专利公布号CN108108628A“基于QR码的双随机相位多图像并行加密无噪声恢复方法”，将QR码作为数据容器引入多图像加密。由于QR码易于生成和读取、具有抗噪声污染的能力，是一种非常理想的数据容器。但当多图像加密的图片数量增多时，QR码受到了严重的噪声污染，超出了本身的最大容错能力，也很难识别出来。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题，是在专利公布号CN108108628A“基于QR码的双随机相位多图像并行加密无噪声恢复方法”的基础上，使用一种方法对解密后具有串扰噪声的QR码进行阈值处理，并将该QR码发生错误的功能区图案替换，大大提高了QR码的识别率，使能够容纳的加密图片数量增加，更有利于数据的传输和实际应用。本专利技术的结构原理图与专利公布号CN108108628A“基于QR码的双随机相位多图像并行加密无噪声恢复方法”的原理图相似，不同的是，对于解密后具有串扰噪声的QR码，先求出它的最佳分割阈值，进行二值化处理，然后替换或修补发生错误的功能区图案。在本专利技术中，多幅光学图像的加解密过程如图1所示，首先要将需要加密的几幅图像转换成相应的QR码图像，其次将这些QR码经过光学加密系统进行加密和解密，然后将解密后的含有串扰噪声的QR码进行处理，最后，使用QR码读取设备读出QR码中的内容，并将读出内容转换成灰度图像，实现多张加密图像的无损恢复。本专利技术所述的一种基于QR码的多图像加密容量提升方法，包括以下步骤：(1)将待加密的多幅灰度图像转换成相应的QR码图像；(2)将多幅QR码图像经过光学系统进行加密和解密；(3)将解密后具有串扰噪声的QR码图像进行阈值处理和功能区替换；(4)使用QR码识别设备读取QR码中的数据，并还原出原始加密图像。其中，上述步骤(1)的具体实现过程如下：(a)对于一张灰度图像，无论格式为BMP或JPEG，以二进制数据形式读出并级联为一串二进制数字；(b)把一串二进制数字转为十进制数字，具体规则为：首先取四位二进制数，如果这四位二进制数字是“1000”或“1001”，则将其转换为十进制的“8”或“9”；如果所取得四位二进制数不是“1000”或“1001”，那么取前三位数，按照二进制数转十进制规则把二进制数“000”到“111”转换为十进制数“0”到“7”，如图2所示；(c)用QR码生成软件，将这些十进制数序列转换生成相应的QR码图像。所述步骤(2)的具体实现如下：(a)加密过程：为了便于理解和操作，我们以两张QR码图像和双随机相位多图像并行加密系统为例来说明。函数f1(x,y)和f2(x,y)分别代表着两张待加密的QR码图像，各自置于一个4f系统的输入平面；给它们分别乘以随机相位板M1＝exp[i2πn1(x,y)]和M2＝exp[i2πn2(x,y)]，并通过光学透镜进行傅里叶变换，然后再分别乘以另一个随机相位板N1＝exp[i2πb1(u,v)]和N2＝exp[i2πb2(u,v)]，又通过另一光学透镜进行逆傅里叶变换，最后将从两个4f系统输出的结果进行叠加，得到连续的白噪声形式的加密密文；其中，n1(x,y)、n2(x,y)、b1(u,v)和b2(u,v)均表示以均匀概率在(0,1)区间取值的随机函数；整个加密结果的数学表达式如下：(b)解密过程：解密过程是加密过程的逆过程，数学表达式如下：其中，F和F-1分别表示傅里叶变换和傅里叶逆变换，表示卷积运算。所述步骤(3)的具体实现如下：解密后的QR码被串扰噪声污染，直接读取比较困难，严重限制了多图像加密的数量，所以要对解密后的QR码进行阈值处理。如图3所示，首先计算出QR码每一个黑或白模块的灰度平均值，并用这个值来替代整个小模块的灰度值；然后计算出此时QR码的最佳分割阈值，并进行二值化处理；最后，由于上述操作很可能对QR码的功能区进行了破坏，所以必须根据加密图像中所用QR码的版本号，将功能区中发生错误的图案进行替换，确保QR码功能区图案的正确性。其中最佳分割阈值及二值化处理方法：首先设置阈值t，将QR码分为前景和背景两部分，前景点占图像比例为w0，灰度平均值为u0，背景点占图像比例为w1，灰度平均值为u1；然后计算整个图像的均值：u＝w0*u0+w1*u1，建立目标函数g(t)＝w0*(u0-u)2+w1*(u1-u)2，g(t)为当分割阈值为t时的类间方差表达式；再令t值从0到255变化，计算不同t值下的类间方差g(t)，使得g(t)最大时的那个值就是所求的最佳分割阈值；最后用最佳分割阈值对QR码进行二值化处理，此时的QR码只有0和255两个灰度。所述步骤(4)的具体实现如下：经过阈值处理的QR码，使用普通的扫码软件读取出相应的十进制数；把这些十进制数按照如下规则转换为二进制数，十进制数“0”到“7”转换为三位二进制数“000”到“111”，二进制数“8”和“9”则转换为二进制数“1000”和“1001”；最后将这些二进制数级联起来，恢复为原始的灰度图像。与传统的多图像加密系统相比，本专利技术具有以下优点：(1)由于QR码的特性，多幅解密图像与原始图像相比，没有任何的失真，是一种真正意义上的无损恢复。(2)加密图像的数量较未进行阈值处理以前有了很大提升，在其它条件不变的情况下，加密图片的数量可以从最多4～6张增加到15～18张。(3)由于增加了加密图片数量，更有利于多图像加密技术的实用化。附图说明附图1为本专利技术方法系统原理图。附图2为本专利技术方法二进制和十进制转换原理图。附图3为本专利技术方法对QR码的处理流程图。附图4为本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于QR码的多图像加密容量提升方法，其特征在于：包括多图像转化为QR码及加密解密过程、解密后的QR码处理过程和处理后QR码的数据读取过程三个步骤；其中解密后的QR码处理过程是最关键的步骤，其流程是首先求出解密后具有串扰噪声的QR码每一黑或白模块的灰度平均值，用这个平均灰度值作为整个模块的灰度值；然后求出QR码的最佳分割阈值，并对QR码进行二值化处理；最后对QR码发生错误的功能区图案进行替换；经过三个步骤后，可以提高解密出QR码的可识别性，从而增加多图像加密的图片数量。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于QR码的多图像加密容量提升方法，其特征在于：包括多图像转化为QR码及加密解密过程、解密后的QR码处理过程和处理后QR码的数据读取过程三个步骤；其中解密后的QR码处理过程是最关键的步骤，其流程是首先求出解密后具有串扰噪声的QR码每一黑或白模块的灰度平均值，用这个平均灰度值作为整个模块的灰度值；然后求出QR码的最佳分割阈值，并对QR码进行二值化处理；最后对QR码发生错误的功能区图案进行替换；经过三个步骤后，可以提高解密出QR码的可识别性，从而增加多图像加密的图片数量。


2.根据权利要求1所述的一种基于QR码的多图像加密容量提升方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1多图像转化为QR码及加密解密过程：
步骤1.1选取多幅灰度图像，将它们转换成相应的QR码图像：
对于一张灰度图像，无论为BMP、JPEG或其它格式，都可以转换成十进制数字或字符等数据形式，然后用QR码生成软件，将这些数据生成QR码图像；
步骤1.2将生成的多张QR码通过光学加密系统进行加密和解密运算：
对于多张QR码图像f1(x,y)、f2(x,y)、f3(x,y)...fn(x,y)分别用光学加密系统进行加密，加密后的结果为S1、S2、S3...Sn，然后将这些结果叠加在一起，得到最终的加密数据E：
E＝S1+S2+S3+...+Sn(1)
解密的时候，当得到其中任意一幅QR码fn(x,y)，必然会受到来自其它QR码串扰噪声N<f1,f2,f3...fn-1>的影响，解密结果可用数学式子简单表示为：
fn′(x,y)＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：周昕，白星，王金超，王晶，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川;51