[发明专利]三维信息光学加密系统和方法

权利要求书

1.一种三维信息光学加密系统，包括一套加密装置和一套解密装置,其特征在于：

所述的加密装置包括投影系统（1）、参考平面（2）、第一CCD摄像机（3）、计算机（4）、第一空间光调制器（5）、第二空间光调制器（6）、第一透镜（7）、第三空间光调制器（8）、第二透镜（9）、第二CCD摄像机（10）、第一光源（11）和第二光源（12）；所述的解密装置包括、第三透镜（14）、第五空间光调制器（15）、第四透镜（16）、第六空间光调制器（17）、第三CCD摄像机（18）、第三光源（19）和第四光源（20）；

所述的第一透镜（7）、第二透镜（9）、第三透镜（14）和第四透镜（16）结构相同，所述的第一光源（11）、第二光源（12）、第三光源（19）和第四光源（20）结构相同，所述的投影系统（1）、第一CCD摄像机（3）、第一空间光调制器（5）、第二空间光调制器（6）、第三空间光调制器（8）、第二CCD摄像机（10）、第四空间光调制器（13）、第五空间光调制器（15）、第六空间光调制器（17）和第三CCD摄像机（18）与所述的计算机（4）相连；

所述的参考平面（2）在投影系统（1）的投影范围内并在第一CCD摄像机（3）的视场内，所述的投影系统（1）的光轴和第一CCD摄像机（3）光轴的夹角在20°～60°之间，所述的投影系统（1）、参考平面（2）和第一CCD摄像机（3）组成结构光投影编码系统，所述的第一空间光调制器（5）、第二空间光调制器（6）、第一透镜（7）、第三空间光调制器（8）、第二透镜（9）和第二CCD摄像机（10）依次组成加密4f系统，称为双随机相位编码系统，第一空间光调制器（5）为该4f系统的输入端，第二CCD摄像机（10）的表面为该4f系统的输出端，所述的投影系统（1）在所述的计算机（4）控制下输出结构条纹并投影到参考平面（2）上，参考平面上的条纹称为参考条纹，该条纹经放置于所述的参考平面（2）上的待加密物体的表面调制产生变形称为变形条纹，第一CCD摄像机（3）在计算机（4）的控制下采集所述的变形条纹和参考条纹并存储于计算机（4）中，该计算机（4）对所述的变形条纹和参考条纹进行强度归一化，并分别以归一化后的变形条纹和参考条纹为相位和幅值组成一个二维复信号，称为编码二维信号，该计算机（4）将所述的编码二维信号输入所述的第一空间光调制器（5），所述的第二空间光调制器（6）和第三空间光调制器（8）在计算机（4）的控制下产生两个相互独立的随机数矩阵称为随机相位板；所述的第一光源（11）以平行相干光垂直照明所述的加密4f系统的输入端，在输出端与第二光源（13）发出的平行相干光发生干涉，第二CCD摄像机（10）在计算机（4）的控制下采集并存储密文图像；

依次的第四空间光调制器（13）、第三透镜（14）、第五空间光调制器（15）、第四透镜（16）、第六空间光调制器（17）和第三CCD摄像机（18）组成解密4f系统，第四空间光调制器（13）为该4f系统的输入端，第三CCD摄像机（18）的表面为该4f系统的输出端，第六空间光调制器（17）贴近第四透镜（16）的后表面，所述的计算机（4）分别将密文图像、加密用两个随机相位板的共轭为密钥输入所述的第四空间光调制器（13）、第五空间光调制器（15）和第六空间光调制器（17），第三光源（19）以平行相干光照明所述的解密4f系统的输入端，在解密4f系统的输出端与第四光源（20）发出的平行相干光发生干涉，第三CCD摄像机（18）采集解密信号并将其存储于计算机（4）。

2.利用权利要求1所述的三维信息光学加密系统实现三维信息加密和解密的方法，特征在于包含加密和解密两个过程：

（一）三维信息加密过程包括如下步骤：

①结构光投影编码三维信息：

所述的计算机（4）产生正弦结构条纹并控制投影系统（1）将正弦结构条纹投影到参考平面（2）的表面形成参考条纹图像，第一CCD摄像机（3）采集所述的参考条纹图像并输入所述的计算机（4），该参考条纹图像为：

g₀(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos[2πf₀x+φ₀(x,y)]，

其中：a(x,y)为背景光，b(x,y)为调制度，f₀为空间频率，φ₀(x,y)为参考平面的调制相位，

将待加密物体放置在所述的参考平面上，所述的计算机（4）产生正弦结构条纹并控制投影系统（1）将正弦结构条纹投影到参考平面（2）的表面和待加密物体形成变形条纹图像，第一CCD摄像机（3）采集所述的变形条纹图像并输入所述的计算机（4），该变形条纹图像为：

g(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos[2πf₀x+φ(x,y)]，

其中，φ(x,y)为待加密物体表面调制相位，

所述的待加密物体的三维高度信息和变形条纹图像与参考条纹图像的调制相位差之间的关系为：

1h(x,y)=p1(x,y)+p2(x,y)1Δφ(x,y)+p3(x,y)1Δφ2(x,y)]]>

其中：p₁(x,y)、p₂(x,y)和p₃(x,y)为结构光投影编码系统的结构参数，

Δφ(x,y)＝φ(x,y)-φ₀(x,y)为调制相位差；

P₁(x,y)＝1/r，

P2(x,y)=2πf0[s2-(r-L)2cos2δ+(r-L)L|L·1/cos2β-1/cos2δ-x|]r,]]>

s＝(r/cosα)²+(L/cosβ)²-2rLcosω/cosαcosβ，

r为投影系统的光心到参考平面的垂直距离，

L为第一CCD摄像机的光心到参考平面的垂直距离，

d为投影系统的光心到第一CCD摄像机的光心的距离，

α为投影系统的光心到参考平面的垂线与其光轴的夹角，

β为第一CCD摄像机的光心到参考平面的垂线与其光轴的夹角，

δ为投影系统的光心到过投影系统的光轴与参考平面交点与第一CCD摄像机的光轴平行的直线与投影系统的光轴确定的平面与参考平面的交线的直线与投影系统的光心到参考平面的垂线的夹角，

ω为投影系统的光轴与第一CCD摄像机的光轴的夹角，

p₃(x,y)为对结构条纹非线性进行修正的二次项系数；

②结构光投影编码系统参数标定：

所述的计算机（4）产生正弦结构条纹并控制所述的投影系统（1）投影正弦结构条纹到参考平面（2）的表面，第一CCD摄像机（3）采集到的条纹图像为：

g₀(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos[2πf₀x+φ₀(x,y)]，

沿着Z方向等距离h₀连续平移所述的参考平面（2）n次，其中n≥3，每次平移距离为h₀，所述的第一CCD摄像机（3）采集到n个位置处的条纹图像分别为：

g₁(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos[2πf₀x+φ₁(x,y)]

g₂(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos[2πf₀x+φ₂(x,y)]

g₃(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos[2πf₀x+φ₃(x,y)]

……

g_n(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos[2πf₀x+φ_n(x,y)]

其中：φ₁(x,y)为h₀位置处平面调制相位，φ₂(x,y)为2h₀位置处平面调制相位，φ₃(x,y)为3h₀位置处平面调制相位，……，φ_n(x,y)为nh₀位置处平面调制相位，

分别对g₀(x,y)、g₁(x,y)、g₂(x,y)、g₃(x,y)……g_n(x,y)作小波变换，小波变换的定义式为：

W(bx,by,s,θ)=∫∫g(x,y)ψ*(x-bxs,x-bs,rθ)dxdy]]>

其中：W(b_x,b_y,s,θ)为小波变换系数，为子小波，rθ=cosθsinθ-sinθcosθ]]>为旋转因子，θ为旋转角度，b_x和b_y分别为沿着x和y方向的平移因子，S为尺度因子，“*”为共轭运算，

对于一个条纹图像上固定的位置（x，y），W(b_x,b_y,s,θ)的最大值位置称为小波脊，所有小波脊处的小波变换系数分别为：

W0(x,y)=12Cb(x,y)exp[i2πf0x+iφ0(x,y)]]]>

W1(x,y)=12Cb(x,y)exp[i2πf0x+iφ1(x,y)]]]>

W2(x,y)=12Cb(x,y)exp[i2πf0x+iφ2(x,y)]]]>

W3(x,y)=12Cb(x,y)exp[i2πf0x+iφ3(x,y)]]]>

……

Wn(x,y)=12Cb(x,y)exp[i2πf0x+iφn(x,y)]]]>

分别提取W₀(x,y)、W₁(x,y)、W₂(x,y)、W₃(x,y)……W_n(x,y)的相位，即参考平面（2）在不同位置处的平面调制相位，进一步分别求解位于h₀、2h₀、3h₀……nh₀位置处参考平面（2）引起的调制相位差：

Δφ₁(x,y)＝φ₁(x,y)-φ₀(x,y)

Δφ₂(x,y)＝φ₂(x,y)-φ₀(x,y)

Δφ₃(x,y)＝φ₃(x,y)-φ₀(x,y)

……

Δφ_n(x,y)＝φ_n(x,y)-φ₀(x,y)

根据高度信息和调制相位差之间的关系式，得到一个三元一次方程组，用最小二乘法解此方程组，求结构光投影编码系统的结构参数p₁(x,y)、p₂(x,y)和p₃(x,y)；

③采用幅值和相位同时编码的双随机相位编码加密方法进行双随机相位加密：

计算机（4）将参考条纹和变形条纹分别做归一化，并以参考条纹为幅值，以变形条纹为相位构成编码二维信号，表示为：f(x,y)＝g₀(x,y)exp[ig(x,y)]；计算机（4）将该编码二维信号输入第一空间光调制器（5）；计算机（4）产生相互独立的随机相位板exp[i2πM₁(x,y)]和exp[j2πM₂(u,v)]，其中，M₁(x,y)和M₂(x,y)分别为两个随机数矩阵，并将它们分别输入第二空间光调制器（6）和第三空间光调制器（8），第一空间光调制器（5）在第一光源（11）发出的平行相干光照明下通过加密4f系统，从4f系统出射的光与第二光源（12）发出的平行相干光发生干涉，计算机（4）控制第二CCD摄像机（10）记录数字全息密文图像并存储；

④所述的计算机（4）将所述的数字全息密文图像发送给对方三维信息光学加密系统，完成数字全息密文图像传输；

（二）三维信息解密过程包括如下步骤：

①所述的计算机（4）接收对方三维信息光学加密系统发送的数字全息密文图像并存储在计算机（4）中；

②条纹图像解密：

所述的计算机（4）分别将二维复振幅分布、随机相位板exp[j2πM₂(u,v)]的共轭和随机相位板exp[j2πM₁(u,v)]的共轭为密钥输入第四空间光调制器（13）、第五空间光调制器（15）和第六空间光调制器（17），所述的第三CCD摄像机（18）采集解密信号，解密信号存储于计算机（4），计算机（4）含有计算程序，求解密信号的幅值和相位，得到编码了物体三维高度信息的参考条纹和变形条纹图像；

③三维信息解密：

分别对解密的参考条纹和变形条纹图像进行小波变换，利用小波脊技术和相位展开技术求解它们的相位信息，计算由待加密物体三维高度调制引起的相位差Δφ(x,y)；

根据待加密物体三维高度信息和变形条纹图与参考条纹图调制相位差之间的关系：

1h(x,y)=p1(x,y)+p2(x,y)1Δφ(x,y)+p3(x,y)1Δφ2(x,y)]]>

以系统参数p₁(x,y)、p₂(x,y)和p₃(x,y)为密钥，获得物体三维高度信息。