一种基于计算鬼成像的3D图像加密方法技术

本发明专利技术提出一种基于计算鬼成像的3D图像加密方法，所述方法利用集成成像提取技术将3D物体转换为微图像阵列，得到明文。将所得微图像阵列转换为相应的二值图像，并作为细胞自动机的输入以获取一系列二维随机掩膜，细胞自动机的规则和初始参数作密钥。利用计算鬼成像技术和细胞自动机生成的随机掩膜加密明文，得到一系列光强值即密文。另外，计算鬼成像步骤中，激光于传播过程会发生菲涅耳衍射，导致其光场信息发生改变，因此激光传播距离也用作密钥。接收端则利用密钥，计算得到加密时微图像阵列表面真实的光强分布，将其与密文输入关联算法，从而解密得到微图像阵列，再利用集成成像重建原始3D物体图像。重建原始3D物体图像。重建原始3D物体图像。

【技术实现步骤摘要】
一种基于计算鬼成像的3D图像加密方法


[0001]本专利技术涉及计算鬼成像技术、集成成像技术、细胞自动机编码技术。

技术介绍

[0002]在网络通信中，图像是信息的重要承载。随着3D显示技术兴起，包含3D信息的3D图像技术也有了新的发展。3D图像信息于网络传输的同时，也带来了安全问题，为减小3D图像在传输过程中的安全隐患，避免其受不法分子窃取、给相关企业带来巨大损失，有关3D图像的加密研究迫在眉睫。
[0003]图像加密是保护图像的重要手段，细胞自动机编码技术是其重要方法之一。细胞自动机编码技术是一种自动编码技术，可根据不同的规则和参数，生成伪随机序列，从而实现对图像的加密。然而，对3D图像而言，其结构特殊，包含的数据量相较于传统2D图像来说更大，如果利用传统的图像加密方法直接对3D图像进行加密，加密过程会显得极为繁琐，同时也较为消耗算力。集成成像是一种自动立体和多视场3D显示技术，其结构简单，无立体观看视疲劳，是目前3D显示技术研究的热点。集成成像的片源图像集成度高，因此利用集成成像进行3D图像加密，减少了其加密复杂度及密文图像数据冗余。
[0004]计算鬼成像加密技术，其原理是利用光场的二阶或高阶关联将明文信息加密为强度信息，相较于传统光学图像加密，计算鬼成像加密过后的密文信息是一维的光强值，密文存储空间大大减小。但是，计算鬼成像加密需要大量的散斑图像，在实际应用中，若直接将散斑图像作为密钥进行数据传输，其效率极为低下。

技术实现思路

[0005]为了在加密3D图像时，节省计算机的算力，简化加密过程，在保证密钥安全性的同时提高传输效率，本专利技术提出一种基于计算鬼成像的3D图像加密方法。
[0006]所述方法主要包括以下步骤：
[0007]第一步，利用集成成像记录3D物体，得到微图像阵列(Elemental ImageArray,EIA)即明文；
[0008]第二步，将所得EIA转换为相应的二值图像，利用细胞自动机编码技术获取一系列二维随机掩膜，细胞自动机的规则和初始参数即为密钥一；
[0009]第三步，通过计算鬼成像技术和细胞自动机生成的部分随机掩膜加密明文EIA，得到一系列光强值即密文，衍射距离为密钥二；
[0010]第四步，关联运算重构也即解密步骤，利用密钥运算得到加密时EIA表面真实的光强分布I
r
(x,y)，将其与密文B
r
利用关联算法重构得到EIA，再通过集成成像重构得到3D图像。
[0011]所述第一步，即获取EIA步骤中，利用想要加密的3D图像及其深度，通过集成成像提取技术(也即反向光线追迹技术)渲染模拟其原本记录时的3D场景，进而追迹计算出整幅EIA图像，所获得的EIA包含了3D物体所有的三维信息，为需要进行加密的明文对象。
[0012]所述第二步，即获取随机掩膜步骤中，将EIA转换为二值图像，作为初始掩码输入二维细胞自动机。其后每一时刻，输出的像素值由下式决定
[0013][0014]其中指第i行j列在t时刻的像素值，g(s1,s2,s3,s4,s5)为所选取的规则。由此，得到满足细胞自动机规则总共N幅二值散斑图案也即随机掩膜，取其中第m,m+1,...,m+n(m+n≤N)共n幅随机掩膜该过程中选取的细胞自动机规则g(s1,s2,s3,s4,s5)和初始参数t用作密钥一。
[0015]所述第三步，计算鬼成像加密步骤中，设计光路，光路包含激光光源、扩束镜、空间光调制器(SLM)和桶探测器。加密过程中，激光通过加载有随机掩膜的空间光调制器，空间光调制器对光场相位的调制作用为r表示第r次测量，反射后的光场表示为光束自由传播过一段距离z后照射在明文EIA上，由于光在空间中传播遵循菲涅耳衍射理论，到达EIA表面的光场U
r
(x,y,z)不等于空间光调制器投射出的光场E
r
(x,y,z＝0)，EIA前表面的光场分布为：
[0016][0017]其中k为光波波矢。菲涅耳衍射过程也可视为一次线性加密运算，光场传播距离z作为密钥二。由光场分布，可以计算得EIA表面各点光强的理论值I
r
(x,y,z)＝|U
r
(x,y,z)|2。然后，光束经过EIA，由桶探测器收集反射过EIA的光信号强度B
r
。B
r
由下式计算：
[0018]B
r
＝∫∫I
r
(x,y,z)T(x,y)dxdy
ꢀꢀꢀ
(3)
[0019]其中，T(x,y)表示明文图像。该过程中，桶探测器收集的光强值B
r
作为密文。
[0020]所述第四步，解密步骤中，利用初始掩膜和密钥一即二维细胞自动机规则及参数运算得到一系列随机掩膜，选取其中第m到m+N幅随机掩膜和密钥二即传播距离z，便能利用菲涅尔衍射公式运算出EIA表面的光强分布I
r
(x,y)，将其与密文B
r
利用关联算法重构得到EIA图像，关联运算原理如下：
[0021]G(x,y)＝<I
r
(x,y)B
r
>
‑
<I
r
(x,y)><B
r
>
ꢀꢀꢀ
(4)
[0022]其中<>代表系综平均。由此可重建解密出EIA的原始图像信息G(x,y)，再利用所得EIA，通过集成成像技术重建出原始3D图像。
附图说明
[0023]本专利技术的前述内容及优点可以结合以下实验与附图进行进一步的明确和理解，其中：
[0024]附图1为根据本申请一实施例的加密流程图。
[0025]附图2为根据本申请一实施例的光线追迹的方法模拟生成EIA原理图。
[0026]附图3为根据本申请一实施例的细胞自动机技术原理图。
[0027]附图4为根据本申请一实施例的加密系统装置图。
[0028]应该理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。
具体实施方式
[0029]为了便于理解本申请，下面将详细阐述本专利技术提出的一种基于计算鬼成像的3D图像加密方法的一个典型实施例。但是有必要在此指出的是，下面描述的实施例是示例性的，旨在对本专利技术作进一步解释，不能理解为对本专利技术保护范围的限制。
[0030]除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0031]本文所使用的方位术语“垂直”、“水平”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式，也并非对于本申请的限制。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于计算鬼成像的3D图像加密方法，其特征在于：所述方法包含以下步骤：S1：将3D物体转换为微图像阵列(Element ImageArray,EIA)，得到明文；S2：将S1所得EIA转换为二值图像，利用细胞自动机编码技术获取一系列二维随机掩膜，细胞自动机规则及初始参数用作密钥一；S3：通过计算鬼成像，用细胞自动机生成的随机掩膜加密明文EIA，收集获得一系列光强值即密文，衍射距离为密钥二；S4：关联运算重构也即解密步骤，利用密钥获得加密时EIA表面真实的光强分布I
r
(x,y)，将其与密文B
r
送入关联算法重构得到EIA，再通过集成成像重建得到3D图像。2.根据权利要求1所述的一种基于计算鬼成像的3D图像加密方法，其特征在于，所述步骤S1，获取EIA步骤中，首先利用想要加密的3D图像及其深度，通过集成成像提取技术(也即反向光线追迹技术)渲染模拟其原本记录时的3D场景，进而追迹计算出整幅EIA图像，所获得的EIA包含了3D物体所有的三维信息，为需要进行加密的明文对象。3.根据权利要求1所述的一种基于计算鬼成像的3D图像加密方法，其特征在于，所述步骤S2，获取随机掩膜步骤中，首先将步骤S1获取的EIA转换为二值图像，作为初始掩膜输入二维细胞自动机，其后每一时刻，输出的像素值由下式决定其中指第第i行j列在t时刻的像素值，g(s1,s2,s3,s4,s5)为所选取的规则；由此，得到满足细胞自动机规则总共N幅二值散斑图案也即随机掩膜，取其中第m,m+1,...,m+n(m+n≤N)共n幅随机掩膜该过程中选取的细胞自动机规则g(s1,s2,s3,s4,s5)和初始参数t用作密钥一。4.根据权利要求1所述的一种基于计算鬼成像的3D图像加密方法，其特征在于，所述步骤S3，计算鬼成像加密步骤中，激光通过加载有随机掩膜的空间光调制器，空间光调制器对光场相位的调制作用为r表示第r次测量，反射后的光场表示为光束自由传播过一段距离z后照射在明文EIA上，由于光在空间中传播...

【专利技术属性】
技术研发人员：李小伟，寇宇，刘航，李颖，廖月，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：