一种基于半导体激光器混沌同步的水印加密装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种基于半导体激光器混沌同步的水印加密装置及方法。包括驱动激光器输出的激光经光反馈后产生混沌信号，并经相位调制器、色散模块作用后产生低延时、大带宽的混沌信号，该混沌信号经过第一光纤分束器和两条光纤链路后分别注入到两个响应激光器使两个激光器实现混沌同步。每个响应激光器所产生的混沌信号经光纤分束器后分为两路，其中一路输入秘钥发生器产生秘钥，用于控制水印图像的嵌入与提取；另一路作为混沌载波用于对已嵌入水印的图像进行加密保障图像传输的安全性，从而实现水印的双重加密。本发明专利技术基于半导体激光器产生混沌信号的真随机性，其复杂度高，可使水印算法的安全性能够达到较高的水平且能够实现水印的安全通信。水印的安全通信。水印的安全通信。

【技术实现步骤摘要】
一种基于半导体激光器混沌同步的水印加密装置及方法


[0001]本专利技术涉及信息处理
，尤其涉及一种基于半导体激光器混沌同步的水印加密装置及方法。

技术介绍

[0002]信息安全涉及国家政治、经济、国防等诸多领域，是维护国家安全和社会稳定的关键问题。作为信息安全的关键技术之一，水印技术已经受到了广泛的关注。由于混沌的遍历性，对初始条件和参数较敏感，且具有复杂的动态和确定性行为，混沌映射被广泛用于加密技术中，混沌水印技术应运而生。通常，将混沌引入水印算法中一般是利用混沌映射将载体图片或水印图片置乱，然后再完成水印算法的其他步骤。然而，在这些方法中，混沌映射的关键参数是人为设置且需要在两个用户之间进行交换，这无疑会增加系统的不安全性。此外，水印信息在传输过程中的安全性问题也是亟需解决的问题。因此，在实际的水印技术应用中，寻求真随机数用于控制水印图片的置乱并保证水印信息安全传输是当前水印技术真正应用需要解决的重要问题。
[0003]半导体激光器在光反馈、光注入、光电反馈等外部扰动下易输出混沌信号，这些混沌信号具有宽带宽、适合远距离传输等优点，且这类基于物理器件产生的混沌信号具有不可预测的特点，因而被广泛的用于真随机数产生。利用外部扰动下半导体激光器产生的真随机信号控制水印图片的置乱可大大提高水印算法的安全性。此外，两个混沌激光器在适当的条件下可产生同步的混沌信号，基于两个半导体激光器产生的混沌同步信号可实现信息的混沌保密传输。
[0004]基于上述分析，考虑到水印技术在信息领域的应用需求，并充分考虑到基于半导体激光器产生的混沌信号可用于水印图片的置乱及实现信息的混沌保密传输，探索安全性更高的水印算法及其保密传输技术显得尤为重要。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种基于半导体激光器混沌同步的水印加密装置及方法。
[0006]本专利技术采用如下技术方案：
[0007]基于半导体激光器混沌同步的水印加密装置，包括中心控制模块和用户模块。
[0008]所述中心控制模块包括驱动激光器、平面反射镜、可变衰减器、相位调制器、余弦信号发生器、色散模块、第一光纤分束器、余弦信号发生器；
[0009]驱动激光器输出的激光通过可变衰减器、平面反射镜后反馈回激光器，产生混沌信号，该混沌信号通过受余弦信号控制的相位调制器、色散模块后产生低延时、大带宽的混沌信号，该混沌信号经过第一光纤分束器分为两路；
[0010]用户模块，包括两个响应激光器、两个秘钥发生器；
[0011]所得到低时延、大带宽的混沌信号其中一路经过第一偏振控制器、第一单模光纤、
第一掺铒光纤放大器，注入第一响应激光器中；
[0012]第一响应激光器通过第二光纤分束器后分为A、B两路：
[0013]A路通过第三光电转换器、第一密钥发生器产生密钥控制水印算法的关键参数，将水印图像、lena图像处理，获得嵌入水印的lena图像；
[0014]B路的混沌信号作为载波用于加载已嵌入水印的图像，加载后的信号通过第三偏振控制器、第三单模光纤、第三掺铒光纤放大器、第一光电转换器后传输至另一端；
[0015]另一路经过第二偏振控制器、第二单模光纤、第二掺铒光纤放大器，注入第二响应激光器中；
[0016]第二响应激光器输出信号通过第三光纤分束器分为C、D两路：
[0017]C路通过第四偏振控制器、延迟光纤、第四掺铒光纤放大器、第二光电转换器对B路输出的信号进行解密得到传输后的图像(嵌入水印的传输图像)；
[0018]D路通过第四光电转换器、第二密钥发生器产生密钥完成水印的提取。
[0019]一种基于半导体激光器混沌同步的水印加密方法，包括：
[0020]步骤1.调节平面反射镜和可调衰减器，使中心控制模块中的驱动激光器产生混沌信号，该混沌信号经过相位调制器和色散模块后注入第二响应激光器，使两响应激光器进入同步状态；
[0021]步骤2.调节第一响应激光器的输出参数，使从第一响应激光器输出的一路信号转换为电信号进入第一秘钥发生器获取秘钥，用于控制水印嵌入算法中Arnold置乱的参数；另一路信号作为混沌载波，用于加载已嵌入水印的图像；
[0022]其中，第一秘钥发生器产生秘钥的步骤为：
[0023]步骤(1).以固定的采样率对混沌信号进行采样，获得一段128位的序列x；
[0024]步骤(2).另取一个空矩阵x1，令x1(1)＝0，如果x(i+1)>x(i)，x1(i+1)＝1；反之，x1(i+1)＝0，其中，x为混沌信号采样所得，x1为所设空矩阵，括号内符号或数字为矩阵内元素所对应位置；
[0025]步骤(3).将步骤(2)中获得的01序列以每16位二进制数转换成一个十进制数获得最终的秘钥；
[0026]其中，水印嵌入算法为：
[0027]步骤A.利用Arnold置乱将载体图像的像素点进行置乱，Arnold置乱的数学模型如下所示：
[0028][0029]其中，x
n
、y
n
表示转换前灰色图像中的像素位置；x
n+1
，y
n+1
表示转换后像素的位置；a和b为参数；n表示当前转换的次数，N为图像的长度或宽度；mod为取余运算，a、b、n的参数从第一秘钥发生器产生的秘钥中随机选取；
[0030]步骤B.通过离散小波变换，将载体图像分解为LL、LH、HL、HH四个部分，LL是一个低频子带，HL、LH、HH是三个高频子带，再通过离散余弦变换分别对四个子带进行处理，得到LL1、LH1、HL1和HH1，然后将这四个矩阵进行8*8分块；
[0031]步骤C.将水印图像分为四部分，选取得到的LL1、LH1、HL1、HH1分别8*8分块后中频区域的点，用中心点周围四个点的平均值替换原始值，然后选择合适的嵌入参数，将水印图
像的四个部分分别嵌入LL1、LH1、HL1和HH1；
[0032]步骤D.具体的嵌入方式为y＝x+a*b，x为步骤C中所计算出的平均值，a为嵌入强度，b为水印图像的像素值；
[0033]步骤E.对已嵌入水印图像的DCT系数进行逆离散余弦变换和逆离散小波变换得到已嵌入水印的置乱图像；
[0034]步骤F.对步骤E中得到的图像进行逆Arnold变换得到已嵌入水印的图像，具体的数学表达如下所示：
[0035][0036]式中具体的符号意义和参数与步骤A中相同；
[0037]步骤3.调节第二响应激光器，使混沌信号通过第三光纤分束器分为两路，一路达到减法器，通过比较第一响应激光器和第二响应激光器传输到减法器的混沌信号，将信号进行解密；另一路通过第二秘钥发生器产生与第一秘钥发生器相同的秘钥，通过水印提取算法完成水印图像的提取。
[0038]进一步的，第二秘钥发生器产生秘钥的步骤为：
[0039]步骤a.以与第一秘钥发生器产生秘本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于半导体激光器混沌同步的水印加密装置，其特征在于：包括中心控制模块和用户模块；所述中心控制模块包括驱动激光器、平面反射镜、可变衰减器、相位调制器、余弦信号发生器、色散模块、第一光纤分束器；驱动激光器输出的激光通过可变衰减器、平面反射镜后反馈回驱动激光器，产生混沌信号，该混沌信号通过受余弦信号发生器发出的余弦信号控制的相位调制器、色散模块后产生低延时、大带宽的混沌信号，该混沌信号经过第一光纤分束器分为两路；用户模块，包括两个响应激光器、两个秘钥发生器；其中一路混沌信号经过第一偏振控制器、第一单模光纤、第一掺铒光纤放大器，注入第一响应激光器中；第一响应激光器输出的混沌信号通过第二光纤分束器后分为A、B两路：A路的混沌信号通过第三光电转换器、第一密钥发生器产生密钥控制水印算法的关键参数，将水印图像、lena图像处理，获得嵌入水印的lena图像；B路的混沌信号作为载波用于加载嵌入水印的lena图像，加载后的信号通过第三偏振控制器、第三单模光纤、第三掺铒光纤放大器、第一光电转换器后传输至另一端；另一路混沌信号经过第二偏振控制器、第二单模光纤、第二掺铒光纤放大器，注入第二响应激光器中；第二响应激光器输出混沌信号通过第三光纤分束器分为C、D两路：C路混沌信号通过第四偏振控制器、延迟光纤、第四掺铒光纤放大器、第二光电转换器对B路输出的信号进行解密得到传输后的嵌入水印的传输图像；D路混沌信号通过第四光电转换器、第二密钥发生器产生密钥完成水印的提取，得到被提取出的水印图像。2.根据权利要求1所述的基于半导体激光器混沌同步的水印加密装置，其特征在于：驱动激光器工作波长为1550nm。3.一种基于半导体激光器混沌同步的水印加密方法，其特征在于，包括：步骤1.调节平面反射镜和可调衰减器，使中心控制模块中的驱动激光器产生混沌信号，该混沌信号经过相位调制器和色散模块后注入第二响应激光器，使两响应激光器进入同步状态；步骤2.调节第一响应激光器的输出参数，使从第一响应激光器输出的一路信号转换为电信号进入第一秘钥发生器获取秘钥，用于控制水印嵌入算法中Arnold置乱的参数；另一路信号作为混沌载波，用于加载已嵌入水印的图像；其中，第一秘钥发生器产生秘钥的步骤为：步骤(1).以固定的采样率对混沌信号进行采样，获得一段128位的序列x；步骤(2).另取一个空矩阵x1，令x1(1)＝0，如果x(i+1)>x(i)，x1(i+1)＝1；反之，x1(i+1)＝0，其中，x为混沌信号采样所得序列，x1为所设空矩阵，括号内符号或数字为矩阵内元素所对应位置；步骤(3).将步骤(2)中获得的01序列以每16位二进制数转换成一个十进制数获得最终的秘钥；其中，水印嵌入算法为：
步骤A.利用Arnold置乱将载体图像的像素点进行置乱，Arnold置乱的数学模型如下所示：其中，x
n
、y
n
表示转换前灰色图像中的像素位置；x
n+1
，y
n+1
表示转换后像素的位置；a和b为参数；n表示当前转换的次数，N为图像的长度...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓涛，王俊，唐曦，高子叶，林晓东，杜周南，任一心，
申请(专利权)人：西南大学，
类型：发明
国别省市：