【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及信息安全，具体涉及一种基于稀疏约束相位恢复和超表面的多图像认证方法。
技术介绍
1、随着信息技术的迅速发展，信息安全问题也变得愈加严重，因此以信息加密为代表的信息安全技术逐渐受到了金融、军事、医疗等领域的广泛关注。光学信息安全技术作为一种新型的信息安全技术，凭借其多维度、高并行、高安全等突出优势近年来深受研究者们的青睐，在图像加密、光学防伪、数字水印、身份认证等领域均表现出了广阔的应用前景。传统的光学信息安全技术主要是通过各种光学原理对明文信息进行编码，进而达到信息加密的效果，并且这一过程通常需要依赖透镜、空间光调制器等笨重的光学元件，从而导致光学密码系统难以小型化和便携化，同时也降低了加密效率。超表面是一种人工设计的具有特殊电磁响应的二维平面结构，能够实现对振幅、相位、频率、偏振等物理量的灵活调控，为光学信息安全技术提供了一个灵活、高效的平台。
2、近年来，超表面被逐渐引入到光学信息安全技术中，以提升信息加密的安全性、信息编码的容量、密码系统的集成度。例如，kamali等人设计了一种入射角度复用的超表面结构，该结构能够在0°和30°两个不同入射角下激发不同的共振模式，并解密出两幅不同的全息图像。后来，jang等人又基于迂回相位和结构复用技术将上述双通道角度加密进一步提升到了四通道角度加密。此外，yue等人还设计了一种超表面结构，将灰度图像编码为具有空间变化的偏振态分布，只有利用一个合适角度的偏振片才能获得加密信息。然而，上述方案并没有实现不同偏振态下的多图像加密。为了解决这一问题，之后bao等人和de
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于，提供一种基于稀疏约束相位恢复和超表面的多图像认证方法。本专利技术首先利用稀疏约束相位恢复算法和迭代傅里叶变换算法将多幅明文图像加密为一幅纯相位全息图，之后通过超表面单元结构将纯相位全息图构建为用于多图像认证的超表面全息图，从而实现用户多重身份的同时认证，具有信息保密性高、编码信息容量大、认证效率高的优点。
2、为实现上述专利技术目的，本专利技术提供的技术方案如下：一种基于稀疏约束相位恢复和超表面的多图像认证方法，其特征在于：包括加密步骤：
3、s1：约束振幅的生成：对第n(n＝1,2,...,n)幅原始明文图像f(n)(x,y)进行菲涅尔域的双随机相位编码，得到输出面上的振幅a(n)(ξ,η)作为约束振幅。之后，执行加密步骤s2。
4、s2：约束相位的生成：对输入面上的振幅t(n)(x,y)和随机相位r1(x,y)合成的复振幅进行菲涅尔域的双随机相位编码，得到输出面上的相位作为约束相位。之后，执行加密步骤s3。
5、s3：合成复振幅的双随机相位解码：将输出面上的约束振幅a(n)(ξ,η)和约束相位合成新的复振幅然后进行菲涅尔域的双随机相位解码，得到输入面上的解码振幅之后，执行加密步骤s4。
6、s4：合成复振幅输出条件判断：选用相关系数(cc)作为评价函数来计算解码图像与原始明文图像之间的相关性，从而检验合成复振幅输出条件。在得到输入面上的解码振幅后，将其作为解码图像，计算解码图像与原始明文图像f(n)(x,y)之间的cc(n)。当计算出的cc(n)未超出预设阈值σ(n)，即不满足合成复振幅输出条件时，则利用输入面上的解码振幅更新输入面上的振幅t(n)(x,y)，之后再次执行加密步骤s2；当计算出的cc(n)超出预设阈值σ(n)，即满足合成复振幅输出条件时，则输出用于生成解码振幅的合成复振幅之后执行加密步骤s5。
7、s5：稀疏约束与多图像复振幅的生成：利用稀疏矩阵s(n)(ξ,η)对输出的进行稀疏约束得到稀疏复振幅即：
8、
9、其中，s(n)(ξ,η)是具有一定稀疏度的二值稀疏矩阵，矩阵元素值只能为0或1，稀疏度为非零元素数与矩阵总元素数之比；为了避免串扰，s(p)(ξ,η)与s(q)(ξ,η)中的非零元素位置应彼此不重叠，其中p＝1,2,...,n；q＝1,2,...,n；p≠q。随后，对n个稀疏复振幅进行叠加合成，从而生成多图像复振幅uω(ξ,η)，即：
10、
11、之后，执行加密步骤s6。
12、s6：认证振幅的生成：对多图像复振幅uω(ξ,η)进行菲涅尔域的双随机相位解码，得到输入面上的认证振幅av(x,y)。之后，执行加密步骤s7。
13、s7：纯相位全息图的计算：利用迭代傅里叶变换算法计算认证振幅av(x,y)的纯相位全息图。之后，执行加密步骤s8。
14、s8：超表面单元结构的设计：设计超表面单元结构的材料选型和几何构型，利用电磁仿真软件对超表面单元结构的几何参数进行扫描，分析各几何参数对相位调制量的影响，从而获得相位调制量能够覆盖[0,2π]相位区间的超表面单元结构，并输出超表面单元结构的相位调制曲线，即超表面单元结构的相位调制量与特征几何参数之间的映射关系。之后，执行加密步骤s9。
15、s9：超表面全息图的构建：依据加密步骤s8设计的超表面单元结构的相位调制曲线，将加密步骤s7输出的纯相位全息图的相位分布映射为超表面单元结构的特征几何参数本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于稀疏约束相位恢复和超表面的多图像认证方法，其特征在于：包括加密步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于稀疏约束相位恢复和超表面的多图像认证方法，其特征在于：所述加密步骤S2中，菲涅尔域的双随机相位编码中使用的波长、衍射距离、随机相位和加密步骤S1相同；其中，T(n)(x,y)的初始值为计算机生成的与原始明文图像像素数相同的且元素值全为1的矩阵，并且T(n)(x,y)在后续迭代过程中不断更新。
3.根据权利要求1所述的一种基于稀疏约束相位恢复和超表面的多图像认证方法，其特征在于：所述加密步骤S3和加密步骤S6中，菲涅尔域的双随机相位解码中使用的波长、衍射距离和加密步骤S1相同，使用的随机相位为加密步骤S1使用的随机相位的共轭相位。
4.根据权利要求1所述的一种基于稀疏约束相位恢复和超表面的多图像认证方法，其特征在于：所述加密步骤S7中，利用迭代傅里叶变换算法计算认证振幅AV(x,y)的纯相位全息图的过程为：首先生成一个与认证振幅AV(x,y)像素数相同、元素值在区间[0,2π]上具有均匀概率分布并且统计无关的随机相位矩阵随后将输入面上
5.根据权利要求1所述的一种基于稀疏约束相位恢复和超表面的多图像认证方法，其特征在于：所述加密步骤S8中，超表面单元结构的相位调制方式包括几何相位、共振相位、传输相位中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的一种基于稀疏约束相位恢复和超表面的多图像认证方法，其特征在于：所述认证步骤D1既可以通过数字方式完成也可以通过光学方式完成。
7.根据权利要求1和权利要求6所述的一种基于稀疏约束相位恢复和超表面的多图像认证方法，其特征在于：所述认证步骤D1采用光学方式完成时需要使用光学再现装置，具体为一种超表面全息再现装置，包括用于提供入射光的激光光源1，在光轴上依次设有用于调制入射光偏振态的偏振调制器件组2、用于会聚入射光波的凸透镜3、用于对经过凸透镜3形成的会聚球面光波进行滤波的针孔4、用于将经过针孔4之后的发散球面光波调制成平面光波的显微物镜5、超表面全息图6、用于形成夫琅禾费远场衍射的傅里叶变换透镜7、用于接收全息再现像的图像传感器件8。
8.根据权利要求1和权利要求7所述的一种基于稀疏约束相位恢复和超表面的多图像认证方法，其特征在于：所述的超表面全息再现装置中的偏振调制器件组2包括偏振片、二分之一波片、四分之一波片中的至少一种。
9.根据权利要求1和权利要求7所述的一种基于稀疏约束相位恢复和超表面的多图像认证方法，其特征在于：所述的超表面全息再现装置中，针孔4放置在凸透镜3的像方焦点上，并且凸透镜3的像方焦点和显微物镜5的焦点重合；傅里叶变换透镜7到图像传感器件8的距离等于傅里叶变换透镜7的焦距。
10.根据权利要求1和权利要求7所述的一种基于稀疏约束相位恢复和超表面的多图像认证方法，其特征在于：所述的超表面全息再现装置中的图像传感器件8为电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)。
...【技术特征摘要】
1.一种基于稀疏约束相位恢复和超表面的多图像认证方法，其特征在于：包括加密步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于稀疏约束相位恢复和超表面的多图像认证方法，其特征在于：所述加密步骤s2中，菲涅尔域的双随机相位编码中使用的波长、衍射距离、随机相位和加密步骤s1相同；其中，t(n)(x,y)的初始值为计算机生成的与原始明文图像像素数相同的且元素值全为1的矩阵，并且t(n)(x,y)在后续迭代过程中不断更新。
3.根据权利要求1所述的一种基于稀疏约束相位恢复和超表面的多图像认证方法，其特征在于：所述加密步骤s3和加密步骤s6中，菲涅尔域的双随机相位解码中使用的波长、衍射距离和加密步骤s1相同，使用的随机相位为加密步骤s1使用的随机相位的共轭相位。
4.根据权利要求1所述的一种基于稀疏约束相位恢复和超表面的多图像认证方法，其特征在于：所述加密步骤s7中，利用迭代傅里叶变换算法计算认证振幅av(x,y)的纯相位全息图的过程为：首先生成一个与认证振幅av(x,y)像素数相同、元素值在区间[0,2π]上具有均匀概率分布并且统计无关的随机相位矩阵随后将输入面上的认证振幅av(x,y)和随机相位矩阵合成新的复振幅之后进入迭代计算过程。对uv(x,y)做一次傅里叶变换得到频谱面上的复振幅uf(x0,y0)为：
5.根据权利要求1所述的一种基于稀疏约束相位恢复和超表面的多图像认证方法，其特征在于：所述加密步骤s8中，超表面单元结构的相位调制方式包括几何相位、共振相位、传输相位中的至少一种。
6.根据权利要求1...
【专利技术属性】
技术研发人员：苏衍峰，薛瑞洁，王祉涵，王博宇，王义文，聂山钧，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：
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