一种基于指纹密钥的双图像加密和解密方法

技术领域

本发明涉及信息安全技术领域，具体涉及一种基于指纹密钥的双图像加密和解密方法。

背景技术

由于图像在传输和存储过程中易于被窃取和篡改，近年来如何保护图像信息安全逐渐成为了金融、军事、医疗等领域的研究热点。光学图像加密作为图像信息安全的一种有效解决方案，因其具有高并行、大容量、密钥丰富等优势已经受到了广泛的关注，其中最具代表性的光学图像加密方法是Réfrégier和Javidi于1995年提出的基于4F系统的双随机相位编码(DRPE)。之后，联合变换相关、迭代相位恢复、数字全息、计算全息等技术也被逐渐引入到光学图像加密方法中。但是，现阶段的光学图像加密方法往往存在密钥复杂度高的问题，尤其是随机相位掩模密钥通常难以被用户记住或携带。此外，目前绝大多数的光学图像加密方法还存在用户和密钥之间缺乏联系的问题，以至于安全系统无法区分用户是合法用户还是非法攻击者，从而严重影响系统的安全性。

生物特征密钥，尤其是指纹密钥，是解决上述问题的有效方案，原因在于指纹具有唯一性、不变性和便利性，而且不容易丢失或遗忘。近年来，有一些研究小组已经开始对基于指纹密钥的光学图像加密方法进行了一些有益的研究。例如，Tashima等人提出了一种基于指纹密钥和DRPE的二值图像加密方法。Wei等人提出了一种基于二维码和指纹密钥的光学图像加密方法。Yan等人还提出了一种基于指纹密钥和光学外差技术的多深度物体光学加密方法。Li等人也提出了一种基于指纹密钥的光学双图像加密方法。

虽然上述这些方法已经成功地将指纹密钥引入到光学图像加密方案中，但是目前基于指纹密钥的光学图像加密方法均存在指纹密钥鲁棒性差的共性问题，以至于在解密阶段即使是合法用户也很难做到正确解密，具体表现为当合法用户的解密指纹出现轻微的遮挡、旋转或模糊时，安全系统就会将此解密指纹误判为非法攻击者的错误指纹，从而导致错误解密，极大地影响了合法用户的正常解密体验。此外，现阶段基于指纹密钥的光学图像加密方法往往还存在密钥空间小、数字密钥灵敏度低等安全性低的问题，因而导致其实际应用仍然受到很大限制。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于指纹密钥的双图像加密和解密方法。本发明采用基于柱形编码的指纹高阶数据获取技术和基于混沌相位菲涅尔衍射的高安全性图像加密技术能够有效进行双图像加密，具有指纹密钥鲁棒性高、密钥空间大、数字密钥灵敏度高、安全性高的优点。

为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：一种基于指纹密钥的双图像加密和解密方法，其特征在于：包括加密步骤：

S1:加密指纹高阶数据获取：利用指纹图像处理技术和指纹柱形编码技术获取加密指纹的柱码均值α和脊线频率β，并存储于加密数据库中；

S2:指纹混沌掩模加密密钥生成：基于步骤S1中获取的柱码均值α和脊线频率β，利用混沌初值映射、混沌掩模生成程序、混沌振幅掩模二值化生成一组指纹混沌掩模加密密钥，包括指纹混沌二值掩模FCBM和指纹混沌相位掩模FCPM

S3:基于混沌相位菲涅尔衍射的双图像加密：首先利用明文图像编码技术将用于加密的两幅明文图像编码成为加密复振幅g

解密步骤：

P1:基于指纹柱码认证的解密数据获取：利用指纹图像处理技术和指纹柱码认证技术计算解密指纹和加密指纹的全局相似度，若全局相似度大于预设阈值，则认证成功，并输出加密数据库中存储的加密指纹柱码均值α和脊线频率β作为解密数据并进入下一解密步骤P2；反之认证失败，终止解密；

P2:指纹混沌掩模解密密钥生成：基于步骤P1中获取的柱码均值α和脊线频率β，利用混沌初值映射、混沌掩模生成程序、混沌振幅掩模二值化、混沌相位掩模共轭化生成一组指纹混沌掩模解密密钥，包括指纹混沌二值掩模FCBM和指纹混沌共轭相位掩模

P3:基于混沌相位菲涅尔逆衍射的双图像解密：首先，基于密文、指纹混沌掩模解密密钥和用于解密的数字密钥，利用指纹混沌相位解密方法得到解密复振幅g

上述的一种基于指纹密钥的双图像加密和解密方法，所述加密步骤S1加密指纹高阶数据获取，包括以下步骤：

(i)指纹图像采集：使用图像采集器采集加密指纹原始图像；

(ii)指纹图像处理：对采集到的加密指纹原始图像依次进行平滑、滤波、二值化以及Gabor增强，以获得加密指纹骨架图像；

(iii)奇异点识别：设置多组滤波器识别出加密指纹骨架图像的所有奇异点，包括端点和分叉点；

(iv)方向场计算：计算每个加密指纹奇异点的方向场DF

式中，l＝1,2,...,L，L表示以参考奇异点为中心的同心圆环个数，k＝1,2,...,K

(v)柱形编码：对每个加密指纹奇异点的方向场分别进行柱形编码得到加密指纹柱码集合{CE

(vi)柱码均值α获取：计算加密指纹柱码集合{CE

式中，CE

(vii)脊线频率β获取：首先，计算加密指纹骨架图像在窗口大小一定的情况下的峰值坐标

式中，i＝1,2,...,I,I为峰值坐标的个数，W为窗口大小，F(x,y)为加密指纹骨架图像，argmax(·)为取极大值坐标运算；其次，根据峰值坐标

式中，sum(·)表示求和运算，sqrt(·)表示开平方运算。

上述的一种基于指纹密钥的双图像加密和解密方法，所述加密步骤S2指纹混沌掩模加密密钥生成，包括以下步骤:

(i)混沌初值映射：将加密步骤S1中获取的加密指纹柱码均值α和脊线频率β作为输入，利用混沌初值映射输出多组混沌初值α

(ii)混沌掩模生成程序：首先，利用每组的混沌初值递推出对应的混沌序列，其中第n组混沌序列的通项

其次，将每组混沌序列分别按序排列成二维矩阵，作为指纹混沌掩模数据，其中第0组混沌序列排列成的二维矩阵记作指纹混沌振幅掩模FCAM，第1组至第n组混沌序列排列成的二维矩阵均作为指纹混沌相位掩模FCPM

(iii)混沌振幅掩模二值化：对指纹混沌振幅掩模FCAM进行二值化操作生成指纹混沌二值掩模FCBM，至此完成指纹混沌掩模加密密钥的生成，包括指纹混沌二值掩模FCBM和指纹混沌相位掩模FCPM

上述的一种基于指纹密钥的双图像加密和解密方法，所述加密步骤S3基于混沌相位菲涅尔衍射的双图像加密，包括以下步骤:

(i)二维码编码：利用二维码生成算法将用于加密的原始明文图像1和原始明文图像2分别编码为二维码1和二维码2；

(ii)异或操作：将二维码1和二维码2分别与指纹混沌二值掩模FCBM执行异或操作，得到异或输出1和异或输出2；

(iii)复振幅合成：利用复振幅合成方法将异或输出1和异或输出2合成为加密复振幅g

g

式中，j表示虚数单位，R

(iv)指纹混沌相位加密：首先，对加密复振幅g

式中，g

式中，

上述的一种基于指纹密钥的双图像加密和解密方法，所述解密步骤P1基于指纹柱码认证的解密数据获取，包括以下步骤：

(i)指纹图像采集：使用图像采集器采集解密指纹原始图像；

(ii)指纹图像处理：对采集到的解密指纹原始图像依次进行平滑、滤波、二值以及Gabor增强，以获得解密指纹骨架图像；

(iii)奇异点识别：设置多组滤波器识别出解密指纹骨架图像的所有奇异点，包括端点和分叉点；

(iv)方向场计算：与加密步骤S1相同，计算每个解密指纹奇异点的方向场DF

(v)柱形编码：对每个加密指纹奇异点的方向场分别进行柱形编码得到解密指纹柱码集合{CD

(vi)柱码认证：首先，计算加密指纹柱码集合{CE

式中，CE

最后，通过判断全局相似度GS是否大于预设阈值来进行指纹认证，若全局相似度大于预设阈值，则认证成功，并输出加密数据库中存储的加密指纹柱码均值α和脊线频率β作为解密数据并进入下一解密步骤P2；反之认证失败，终止解密。

上述的一种基于指纹密钥的双图像加密和解密方法，所述解密步骤P2指纹混沌掩模解密密钥生成，包括以下步骤：

(i)混沌初值映射：将解密步骤P1中获取的解密数据(柱码均值α和脊线频率β)作为输入，利用与加密步骤S2相同的混沌初值映射输出多组混沌初值α

(ii)混沌掩模生成程序：首先，利用每组的混沌初值和与加密步骤S2相同的递推公式递推出对应的混沌序列；其次，与加密步骤S2相同，将每组混沌序列也分别按序排列成二维矩阵，作为指纹混沌掩模数据，其中第0组混沌序列排列成的二维矩阵记作指纹混沌振幅掩模FCAM，第1组至第n组混沌序列排列成的二维矩阵均作为指纹混沌相位掩模FCPM

(iii)混沌振幅掩模二值化：对指纹混沌振幅掩模FCAM进行二值化操作生成指纹混沌二值掩模FCBM；

(iv)混沌相位掩模共轭化：对指纹混沌相位掩模FCPM

上述的一种基于指纹密钥的双图像加密和解密方法，所述解密步骤P3基于混沌相位菲涅尔逆衍射的双图像解密，包括以下步骤：

(i)指纹混沌相位解密：首先，对密文g

式中，g

式中，

(ii)复振幅分解：利用复振幅分解方法将解密复振幅g

R

R

式中，real(·)和imag(·)分别表示实部提取运算和虚部提取运算；

(iii)异或操作：将异或输入1和异或输入2分别与指纹混沌二值掩模FCBM执行异或操作，得到解密二维码1和解密二维码2；

(iv)二维码解码：利用二维码解码算法或者利用移动设备执行扫码操作得到最终的解密结果。

本发明的有益效果在于：(1)本发明利用基于柱形编码的指纹高阶数据获取技术与指纹认证技术，克服了目前基于指纹密钥的光学图像加密方法存在的指纹密钥鲁棒性差的问题；(2)本发明利用基于混沌相位菲涅尔衍射的高安全性图像加密技术对两幅明文图像进行加密，拓展了密钥空间并提高了数字密钥的灵敏度，从而增加了加密方法的安全性；(3)本发明中的指纹密钥便于携带，数字密钥便于存储和传输，并且无随机相位掩模密钥，从而有效降低了密钥的复杂度；(4)本发明的加密对象为两幅图像，相比单图像加密，加密效率更高。

附图说明

图1为基于指纹密钥的双图像加密步骤的流程图；

图2为基于指纹密钥的双图像加密步骤中S1加密指纹高阶数据获取子步骤的流程图；

图3为基于指纹密钥的双图像加密步骤中S2指纹混沌掩模加密密钥生成子步骤的流程图；

图4为基于指纹密钥的双图像加密步骤中S3基于混沌相位菲涅尔衍射的双图像加密子步骤的流程图，其中XOR表示异或运算，

图5为基于指纹密钥的双图像解密步骤的流程图；

图6为基于指纹密钥的双图像解密步骤中P1基于指纹柱码认证的解密数据获取子步骤的流程图；

图7为基于指纹密钥的双图像解密步骤中P2指纹混沌掩模解密密钥生成子步骤的流程图；

图8为基于指纹密钥的双图像解密步骤中P3基于混沌相位菲涅尔逆衍射的双图像解密子步骤的流程图，其中XOR表示异或运算，

图9(a)为采集到的加密指纹，(b1)为指纹混沌振幅掩模FCAM，(b2)为指纹混沌二值掩模FCBM，(b3)为第一指纹混沌相位掩模FCPM

图10(a)为正确解密指纹，(b1)为正确解密二维码1，(b2)为正确解密二维码2，(c1)为正确解密结果(“Peppers”)，(c2)为正确解密结果(“Pirate”)。

图11为数字密钥正确，指纹密钥错误时的解密结果；

图12为数字密钥正确，指纹密钥受到闭塞攻击时的解密结果；

图13为数字密钥正确，指纹密钥受到旋转攻击时的解密结果；

图14为数字密钥正确，指纹密钥受到模糊攻击时的解密结果；

图15为指纹密钥正确，数字密钥错误时的解密结果，其中(a1)和(a2)为仅波长密钥偏移2×10

图16为解密指纹密钥正确时，两幅解密二维码的平均CC与数字密钥(波长、第一衍射距离、第二衍射距离)偏移之间的关系。

具体实施方式

本发明所述方法的具体实施方式如下：

一种基于指纹密钥的双图像加密和解密方法，包括如图1所示的加密步骤：

S1:加密指纹高阶数据获取，如图2所示，包括以下步骤：

(i)指纹图像采集：使用图像采集器采集加密指纹原始图像；

(ii)指纹图像处理：对采集到的加密指纹原始图像依次进行平滑、滤波、二值化以及Gabor增强，以获得加密指纹骨架图像；

(iii)奇异点识别：设置多组滤波器识别出加密指纹骨架图像的所有奇异点，包括端点和分叉点；

(iv)方向场计算：计算每个加密指纹奇异点的方向场DF

式中，l＝1,2,...,L，L表示以参考奇异点为中心的同心圆环个数，k＝1,2,...,K

(v)柱形编码：对每个加密指纹奇异点的方向场分别进行柱形编码得到加密指纹柱码集合{CE

(vi)柱码均值α获取：计算加密指纹柱码集合{CE

式中，CE

(vii)脊线频率β获取：首先，计算加密指纹骨架图像在窗口大小一定的情况下的峰值坐标

式中，i＝1,2,...,I,I为峰值坐标的个数，W为窗口大小，F(x,y)为加密指纹骨架图像，argmax(·)为取极大值坐标运算；其次，根据峰值坐标

式中，sum(·)表示求和运算，sqrt(·)表示开平方运算。

S2:指纹混沌掩模加密密钥生成，如图3所示，包括以下步骤:

(i)混沌初值映射：将加密步骤S1中获取的加密指纹柱码均值α和脊线频率β作为输入，利用混沌初值映射输出多组混沌初值α

(ii)混沌掩模生成程序：首先，利用每组的混沌初值递推出对应的混沌序列，其中第n组混沌序列的通项

其次，将每组混沌序列分别按序排列成二维矩阵，作为指纹混沌掩模数据，其中第0组混沌序列排列成的二维矩阵记作指纹混沌振幅掩模FCAM，第1组至第n组混沌序列排列成的二维矩阵均作为指纹混沌相位掩模FCPM

(iii)混沌振幅掩模二值化：对指纹混沌振幅掩模FCAM进行二值化操作生成指纹混沌二值掩模FCBM，至此完成指纹混沌掩模加密密钥的生成，包括指纹混沌二值掩模FCBM和指纹混沌相位掩模FCPM

S3:基于混沌相位菲涅尔衍射的双图像加密，如图4所示，包括以下步骤:

(i)二维码编码：利用二维码生成算法将用于加密的原始明文图像1和原始明文图像2分别编码为二维码1和二维码2；

(ii)异或操作：将二维码1和二维码2分别与指纹混沌二值掩模FCBM执行异或操作，得到异或输出1和异或输出2；

(iii)复振幅合成：利用复振幅合成方法将异或输出1和异或输出2合成为加密复振幅g

g

式中，j表示虚数单位，R

(iv)指纹混沌相位加密：首先，对加密复振幅g

式中，g

式中，

P1:基于指纹柱码认证的解密数据获取，如图6所示，包括以下步骤：

(i)指纹图像采集：使用图像采集器采集解密指纹原始图像；

(ii)指纹图像处理：对采集到的解密指纹原始图像依次进行平滑、滤波、二值以及Gabor增强，以获得解密指纹骨架图像；

(iii)奇异点识别：设置多组滤波器识别出解密指纹骨架图像的所有奇异点，包括端点和分叉点；

(iv)方向场计算：与加密步骤S1相同，计算每个解密指纹奇异点的方向场DF

(v)柱形编码：对每个加密指纹奇异点的方向场分别进行柱形编码得到解密指纹柱码集合{CD

(vi)柱码认证：首先，计算加密指纹柱码集合{CE

式中，CE

最后，通过判断全局相似度GS是否大于预设阈值来进行指纹认证，若全局相似度大于预设阈值，则认证成功，并输出加密数据库中存储的加密指纹柱码均值α和脊线频率β作为解密数据并进入下一解密步骤P2；反之认证失败，终止解密。

P2:指纹混沌掩模解密密钥生成，如图7所示，包括以下步骤：

(i)混沌初值映射：将解密步骤P1中获取的解密数据(柱码均值α和脊线频率β)作为输入，利用与加密步骤S2相同的混沌初值映射输出多组混沌初值α

(ii)混沌掩模生成程序：首先，利用每组的混沌初值和与加密步骤S2相同的递推公式递推出对应的混沌序列；其次，与加密步骤S2相同，将每组混沌序列也分别按序排列成二维矩阵，作为指纹混沌掩模数据，其中第0组混沌序列排列成的二维矩阵记作指纹混沌振幅掩模FCAM，第1组至第n组混沌序列排列成的二维矩阵均作为指纹混沌相位掩模FCPM

(iii)混沌振幅掩模二值化：对指纹混沌振幅掩模FCAM进行二值化操作生成指纹混沌二值掩模FCBM；

(iv)混沌相位掩模共轭化：对指纹混沌相位掩模FCPM

P3:基于混沌相位菲涅尔逆衍射的双图像解密，如图8所示，包括以下步骤：

(i)指纹混沌相位解密：首先，对密文g

式中，g

/>

式中，

(ii)复振幅分解：利用复振幅分解方法将解密复振幅g

R

R

式中，real(·)和imag(·)分别表示实部提取运算和虚部提取运算；

(iii)异或操作：将异或输入1和异或输入2分别与指纹混沌二值掩模FCBM执行异或操作，得到解密二维码1和解密二维码2；

(iv)二维码解码：利用二维码解码算法或者利用移动设备执行扫码操作得到最终的解密结果。

下面结合实施例和附图对本发明的内容进行进一步的解释。

首先，采集加密指纹图像，如图9(a)所示，并根据如图2所示的加密指纹高阶数据获取流程得出加密指纹的柱码均值α和脊线频率β分别为0.5784和0.7841。其次，根据如图3所示的指纹混沌掩模加密密钥生成流程得出一个指纹混沌振幅掩模FCAM、一个指纹混沌二值掩模FCBM和两个指纹混沌相位掩模FCPM

之后，根据如图5所示的解密步骤进行解密，所需要的解密密钥包括指纹密钥以及数字密钥(波长和衍射距离)。当解密指纹(如图10(a)所示)和加密指纹完全一致，并且解密数字密钥完全正确时，得到的解密二维码分别如图10(b1)和10(b2)所示，最终的解密结果分别如图10(c1)和10(c2)所示。

下面考察本发明中指纹密钥的安全性。申请人从不同攻击者处随机采集了超过500幅指纹图像，用作错误的解密指纹密钥。图11给出了当解密数字密钥正确，解密指纹密钥分别为正确和错误时解密结果的比较。需要说明的是，图11中展示的5幅错误解密指纹图像均为随机抽取，其余错误解密指纹的结果与图11中展示的错误解密指纹的结果类似。从图11中的解密结果可以看出，任何错误的解密指纹密钥与加密指纹密钥的全局相似度均小于预设阈值(0.65)而导致解密终止，原始明文图像及其二维码均无法恢复，说明了本发明中指纹密钥的有效性和安全性。

下面考察本发明中指纹密钥的鲁棒性，包括闭塞鲁棒性、旋转鲁棒性、模糊鲁棒性。首先，通过遮挡正确解密指纹密钥的部分像素来测试指纹密钥抵抗闭塞攻击的能力，测试结果如图12所示。从图12中的解密结果可以看出，尽管解密指纹密钥与加密指纹密钥的全局相似度随着解密指纹密钥闭塞范围的增加而逐渐减小，但是即使是闭塞60％的指纹密钥对应的全局相似度仍然高于预设阈值，并且能够实现无失真的正确解密，说明了本发明中的指纹密钥对于闭塞攻击具有良好的鲁棒性。其次，通过对正确解密指纹密钥进行不同角度的旋转来测试指纹密钥抵抗旋转攻击的能力，测试结果如图13所示。从图13中的解密结果可以看出，无论指纹密钥如何旋转，解密指纹密钥与加密指纹密钥的全局相似度均远高于预设阈值，原始明文图像均能够被正确恢复，说明了本发明中的指纹密钥对于旋转攻击具有优秀的鲁棒性。最后，通过对正确指纹密钥进行不同卷积核大小的高斯模糊来测试指纹密钥抵抗模糊攻击的能力，测试结果如图14所示，其中峰值信噪比(PSNR)被用作评价函数来定量描述指纹密钥图像的模糊程度，即：

式中，F

下面考察本发明中数字密钥的安全性和灵敏度。图15给出了当解密指纹密钥正确，解密数字密钥错误时的解密二维码，其中当波长密钥偏移2×10

式中，A(x,y)和B(x,y)分别表示原始二维码和解密二维码在(x,y)处的灰度值，

综上所述，本发明公开了一种基于指纹密钥的双图像加密和解密方法。在本发明中，指纹密钥便于携带，数字密钥便于存储和传输，无随机相位掩模密钥，从而有效降低了密钥的复杂度；加密过程利用基于混沌相位菲涅尔衍射的图像加密技术对两幅明文图像进行加密，拓展了密钥空间并提高了数字密钥的灵敏度，从而增加了加密方法的安全性；解密过程利用指纹柱码认证技术克服了目前基于指纹密钥的光学图像加密方法存在的指纹密钥鲁棒性差的问题，有效抵抗了指纹密钥的闭塞攻击、旋转攻击和模糊攻击。