一种基于孔径加密和衍射成像的图像认证方法

技术领域

本发明涉及图像技术领域，特别涉及一种基于孔径加密和衍射成像的图像认证方法。

背景技术

近年来，许多学者对光学加密系统进行了改进，并设计了可用于信息安全认证的光学加密系统。在身份认证的应用中，加密者希望解密者看不到解密后的明文信息，但又可以根据解密后的信息确定该信息与原始明文一一对应，从而确认解密者的身份。图像认证一般将明文图像加密为可以表征图像信息的稀疏表示，通过正确的密钥和密文得到解密图像，将其和数据库中的原始图像相比较，从而判断是否认证成功。2011年,有学者首次结合光子成像技术和双随机相位编码技术，提出一种光学信息安全认证方法。此方案中，解密图像无法仅通过视觉加以识别，而是通过非线性相关运算来确认，这也是双随机相位编码技术首次被应用于光学信息安全认证。随后，一些学者基于相位恢复算法、双随机相位编码和光子技术等手段，提出了不少身份认证方案。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于孔径加密和衍射成像的图像认证方法。本发明有效地提升了衍射成像加密系统的安全性。

本发明的技术方案：一种基于孔径加密和衍射成像的图像认证方法，包括加密、解密和认证过程，加密过程中，首先分别将待加密图像和作为密钥的孔径输入包含三块随机相位板的衍射成像加密系统，得到两个加密图像，接着利用两个互补的二值振幅板分别对两个加密图像进行稀疏处理后合并得到密文；

解密过程中，先将作为密钥的孔径经过衍射成像加密系统得到加密图像，然后进行像素替换操作，将密文中与孔径的加密图像值相同的像素点的值替换为零，得到稀疏后的密文，将稀疏密文的非零值替换为1，则得到一个二值振幅板，该二值振幅板、稀疏后的密文与加密过程中使用的随机相位板、衍射距离一起作为相位恢复算法迭代过程的约束条件，经过迭代得到解密后的图像；

认证过程中，解密后的图像通过非线性相关算法与原图即待加密图像进行对比认证，如果认证结果中出现一个显著的相关峰，则表示认证成功，而如果存在明显噪声，且没有显著相关峰，则表示认证失败。

上述基于孔径加密和衍射成像的图像认证方法，所述的衍射成像加密系统包括激光器，激光器的前方设置有扩束镜和透镜，透镜的前方设有振幅型空间光调制器，空间光调制器的前方光路上设有三块随机相位板，随机相位板的前方设有CCD相机。

前述基于孔径加密和衍射成像的图像认证方法，所述衍射成像加密系统的加密是由激光器发出波长为λ的单色光，单色光先经过扩束镜进行准直，再经过透镜垂直照射到加载在空间光调制器SLM上的输入图像O上，光场经过三块随机相位板M

I

其中，FrT{}为菲涅尔变换，三块随机相位板M

将上述加密过程简化表示成：

I

式中：DIBE[]表示光学衍射成像加密系统，其结果为光场复振幅分布，M表示衍射成像加密系统中的三块随机相位板的组合(M

前述的基于孔径加密和衍射成像的图像认证方法，所述加密过程是待加密图像O作为输入图像通过衍射成像加密系统得到对应的加密图像I

I

孔径A作为输入图像加载到SLM上也进行一次衍射成像加密，调整三块相位板之间的相互距离，在CCD上记录到的加密图像I

I

其中，d′表示三块随机相位板相互距离的组合(d′

所述稀疏处理是先将加密图像I

C＝I

前述的基于孔径加密和衍射成像的图像认证方法，所述密钥包括孔径、激光波长、衍射距离和随机相位板。

前述的基于孔径加密和衍射成像的图像认证方法，所述解密过程是根据孔径使用加密过程中的正确的波长、衍射距离、随机相位板进行一次衍射成像得到加密图像I

前述的基于孔径加密和衍射成像的图像认证方法，所述相位恢复算法的迭代过程如下：

在第n次(n＝1,2,3…)迭代运算过程中，衍射成像加密系统输入面上的图像为X

Y

特别规定，当n＝1时，初始输入信号X

由密文C

C

衍射成像加密系统输出面上光场的复振幅分布被更新为：

然后

式中：*表示共轭运算，由两次相邻迭代得到：

ΔX＝∑[|X

重复迭代运算过程直至迭代次数达到N时，迭代终止，解密后的图像则为：

O

前述的基于孔径加密和衍射成像的图像认证方法，所述非线性相关方法的计算表达式为：

NC(x,y)＝|IFT{FT[O

式中：FT[]和IFT{}分别表示傅立叶变换和逆傅立叶变换，ω表示非线性的强度，当认证成功时，函数NC(x,y)的分布图中将出现尖锐的相关峰。

本发明的加密过程中，通过分别将待加密图像和作为密钥的孔径输入到包含三块随机相位板的衍射成像加密系统中，得到两个加密图像，并分别稀疏处理后合成密文；解密时，先将作为密钥的孔径经过衍射成像加密系统得到加密图像，然后将密文中与孔径加密图像值相同的像素点的值替换为零，得到稀疏后的密文，，将稀疏密文的非零值替换为1，则得到一个二值振幅板，它与稀疏密文、加密过程中使用的随机相位板一起作为相位恢复算法迭代过程的约束条件。本发明在加密过程中通过引入孔径密钥，扩大了密钥空间，在缺乏孔径密钥的情况下攻击者无法通过相位恢复算法由密文得到可以认证的图像，从而提升了衍射成像加密系统的安全性，仿真模拟结果证明了该方法的可行性和有效性。

附图说明

图1是衍射成像加密系统结构示意图；

图2是本发明加密过程的流程示意图；

图3是本发明解密过程的流程示意图；

图4是相位恢复算法的流程示意图；

图5是加密与认证结果示意图。(a)原图“Baboon”；(b)孔径密钥；(c)二值振幅板S

图6是解密与认证结果示意图。(a)迭代运算过程中原图O和通过不同迭代次数得到的图像O

图7是孔径密钥可靠性测试的结果示意图。(a)用于攻击测试的错误的孔径密钥；(b)非迭代运算的解密结果；(c)由图(b)得到的认证结果图；(d)迭代运算方式进行解密得到的认证结果的峰值相关能量(Peak-To-Correlation Energy，PCE)与迭代次数之间的关系图；(e)对应于迭代过程最大PCE值的解密图；(f)由图(e)得到的认证结果图；；

图8为衍射距离和波长灵敏度测试图。(a)认证结果的PCE与衍射距离误差的关系图；(b)认证结果的PCE与波长误差的关系图。

图9稀疏密文不同稀疏度条件下得到的图像解密和认证效果。(a)CC值(解密图像与原图之间)和稀疏度之间的关系图；(b)认证结果的PCE和稀疏度之间的关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例：一种基于孔径加密和衍射成像的图像认证方法，包括加密、解密和认证过程。

加密过程中，首先分别将待加密图像和作为密钥的孔径输入包含三块随机相位板的衍射成像加密系统，得到两个加密图像，接着利用两个互补的二值振幅板分别对两个加密图像进行稀疏处理后合并得到密文。如图1所示，所述的衍射成像加密系统包括激光器(laser)，激光器的前方设置有扩束镜(BE)和透镜(Lens)，透镜的前方设有振幅型空间光调制器(SLM)，空间光调制器的前方光路上设有三块随机相位板(M

所述衍射成像加密系统的加密是由激光器发出波长为λ的单色光，单色光先经过扩束镜进行准直，再经过透镜垂直照射到加载在空间光调制器SLM上的输入图像O上，光场经过三块随机相位板M

I

其中，FrT{}为菲涅尔变换，三块随机相位板M

将上述加密过程简化表示成：

I

式中：DIBE[]表示光学衍射成像加密系统，其结果为光场复振幅分布，M表示衍射成像加密系统中的三块随机相位板的组合(M

本实施例中，如图2所示，所述加密过程是待加密图像O作为输入图像通过衍射成像加密系统得到对应的加密图像I

I

孔径A作为输入图像加载到上也进行一次衍射成像加密，调整三块相位板之间的相互距离，在CCD上记录到的加密图像I

I

其中，d′表示三块随机相位板相互距离的组合(d′

所述稀疏处理是先将加密图像I

C＝I

孔径、波长、衍射距离、随机相位板作为解密密钥使用。

如图3所示，解密过程中，根据孔径使用加密过程中的正确的波长、衍射距离、随机相位板进行一次衍射成像得到加密图像I

具体地，如图4所示，所述相位恢复算法的迭代如下：

在第n次(n＝1,2,3…)迭代运算过程中，衍射成像加密系统输入面上的图像为X

Y

特别规定，当n＝1时，初始输入信号X

由密文C

C

衍射成像加密系统输出面上光场的复振幅分布被更新为：

然后

重复迭代运算过程直至迭代次数达到N时，迭代终止，解密后的图像则为：

O

本实施例中，所述非线性相关方法的计算表达式为：

NC(x,y)＝|IFT{FT[O

式中：FT[]和IFT{}分别表示傅立叶变换和逆傅立叶变换，ω表示非线性的强度，当认证成功时，函数NC(x,y)的分布图中将出现尖锐的相关峰。

以下对发明的图像认证方法进行数据仿真与分析。

1、可行性测试；

为了研究该认证系统，选用图5(a)所示的“Baboon”作为明文和认证中的原图，图5(b)所示的箭头样式图案作为孔径作为加密密钥，它们的尺寸相同(256×256像素)，对图5(a)进行加密时，三块随机相位板相互之间的距离d

接着，根据解密过程流程图，由孔径密钥A(x,y)经衍射加密系统后得到I

2、安全性分析与测试；

首先测试孔径密钥的可靠性。考虑攻击者在获得了除孔径密钥外其他所有正确密钥的情况下进行非迭代运算和迭代运算两种方式的攻击。考虑非迭代运算和迭代运算两种攻击方式。非迭代运算方式指的是图3所示的解密流程图中的相位恢复算法用直接数值逆运算解密替代。迭代运算方式指的就是采用图3所示的解密流程进行解密。图7是两种方式进行攻击破解的结果。图7(a)是用于攻击测试的孔径密钥，非迭代运算的解密结果如图7(b)所示，其认证结果则如图7(c)所示。当采用迭代运算方式进行解密，并对得到的解密结果进行认证后的峰值相关能量值(Peak-To-Correlation Energy，PCE)与对应的迭代次数之间的关系如果图7(d)所示，PCE值最大不超过0.004，最大值对应的解密结果如图7(e)所示，其认证结果则如图7(f)所示。结果表明，使用错误的孔径密钥进行解密得到的图像也无法通过认证。

进一步，分析衍射距离和波长对认证结果的影响。在本次测试中，对某个密钥的研究意味着只有这个密钥发生改变，其他的密钥都正确。以d

3、稀疏度讨论；

由于C

综上所述，本发明在衍射成像加密的基础上通过增加孔径密钥，有效地提升了衍射加密的安全性。解密时需要利用孔径密钥并进行像素替换操作，解密得到稀疏后的密文与加密过程中使用的随机相位板、衍射距离一起作为相位恢复算法迭代过程的约束条件，通过相位恢复算法得到的最终解密结果在视觉上不可分辨，但可以对其进行认证。本发明在加密系统中通过引入孔径密钥，扩大了密钥空间，利用稀疏化和密文合成等方法破坏了常规加密方法中明文与密文之间的直接对应关系，从而使攻击者无法通过暴力攻击或者相位恢复算法从密文中直接恢复出原图，从而提升了衍射成像加密系统的安全性，仿真模拟结果证明了该方法的可行性和有效性。