[发明专利]基于干涉和4f系统的光学图像加密方案

说明书

本发明公开了一种基于干涉和4f系统的光学图像加密方案。加密时利用生成随机相位和秘密图像为振幅构造的波函数，在空域中直接等模量分解，将秘密图像加密到计算生成的两个纯相位掩模板中，解密时只需要通过4f系统干涉叠加即可获取加密图像信息。本发明从原理上解决了干涉加密单掩模板解密出现秘密图像轮廓的问题，该方案的密钥是相位掩模板具有很好的隐秘性，解密系统为4f系统具有解密简单、快捷、稳定性高的优点，且系统完备性好，可集成性高；同时经模拟验证该方案具有很高的鲁棒性，可应用于安全性、系统集成性要求高的光学图像加密领域。

技术领域

本发明涉及一种光学图像加密方案，具体涉及一种基于纯相位光学衍射元件，利用光的干涉叠加，通过4f系统实现光学图像加密的技术。

背景技术

光学加密技术近些年得到了学术界的高度重视，因为在二维图像处理中光学加密技术有很大的优越性。光学加密具有并行高速处理的优点，如空间光调制器和透镜等，它们把图像的所有像素在处理的时候是同时进行的，而电子技术只能逐一对像素进行处理；光学加密具有多维度和多参数的特点，很多光学参数例如波长，偏振方向和相位都可以当作为安全密钥，这样加密系统的安全性就可以得到有效的保障。一种高速的光学信息处理方法已经在图像加密中应用多年，Refragier和Javidi提出了一种利用双随机相位掩码将原始图像加密为平稳白噪声的方法，在4f光学信息处理器的输入平面和频率平面上放置有随机相位掩模板从而实现光学图像加密，参见（Opt Lett 1995; 20: 767–9），后来的研究者将该方法进一步扩展到分数傅里叶域中，参见（Opt Lett 2000; 25: 887–9）。然而，这些方法都基于输入将信息转换成平面上的随机相位编码，这种方法需要全息技术来记录相位信息，此外，基于双随机相位密钥的光学加密技术采用的加密系统是线性系统容易受到攻击。

2008年，一种基于双光束干涉的光学图像加密系统被提了出来，通过这种方法可以把原始图像加密到两个纯相位掩模板中，加密过程非常简单而不需要迭代，后来人们通过实验证实了这种方法的可行性，参见（Opt Lett 2008; 33（21）: 2443–5）。这种方法具有实现简单的优势，但存在着固有的安全隐患，一块相位掩模板会泄露加密信息，出现加密图像的轮廓。基于该方案的不足，张岩等人提出了通过交换部分加密后两块随机相位掩模板的相位信息来达到解决单掩模板出现加密图像轮廓的问题，参见（J. Opt. A 11, 125406（2009）），该方法一定程度上解决了信息泄露的风险。近年来，许多研究者基于该问题提出了一系列解决该方案秘密信息泄露的问题，如基于三相位板的方案，希望在掩模板生成过程中去除轮廓，参见（Appl. Opt. 51, 686–691 (2012))，虽然这个方案的实现非常紧凑，但是如果未经授权的用户获得了其中的两个，仍然可以识别剩余的信息。之后有研究者优化了三相位掩模板的方案，在源头彻底解决了秘密图像轮廓问题，参见（Appl. Opt. 52,6849–6857 (2013)）。另外最近提出了基于gyrator变换和矢量分解对该方案的优化，该方案通过改变原有菲涅尔衍射的模型解决了秘密信息轮廓问题。除此之外还有通过对加密图像的编码和改变光源波形来解决秘密图像的轮廓问题。

发明内容

本发明的目的是提出了一种新的解决单掩模板出现秘密图像轮廓问题的方案，基于干涉和4f系统的光学图像加密方案，该方案从源头上解决了单掩模板出现秘密图像轮廓的问题，提高了基于干涉的光学图像加密方案的安全性。

本发明的目的可以通过以下技术措施实现。

1. 利用矢量分解将秘密图案信息分解到两个相位掩模板中，具体步骤如下

（1）生成随机相位，这里为的0到1的随机矩阵；

（2）构造振幅为秘密图案信息的波函数；

（3）矢量分解将波函数分解成两个纯相位函数

（4）求解得到两个相位掩模板的函数表达式，由得