申请/专利权人：中国计量大学

申请日：2023-12-05

公开（公告）日：2024-04-16

公开（公告）号：CN117896473A

主分类号：H04N1/44

分类号：H04N1/44;H04L9/08

优先权：

专利状态码：在审-公开

法律状态：2024.04.16#公开

摘要：本发明公开了一种基于认证相位和结构光照明相位恢复的多图像加密方法，包括加密步骤：在认证相位的帮助下，利用结构光照明下的相位恢复算法将每幅明文图像加密为两个纯相位掩模，并结合相位掩模复用技术生成最终的多图像加密密文；解密步骤：解密认证相位首先需要通过认证才能作为解密相位密钥对密文进行解密，之后在其他解密相位密钥和数字密钥的共同作用下即可生成解密图像。解密步骤可以利用由激光光源、偏振调制器件、显微物镜、针孔、准直透镜、反射镜、相位调制器件、分束棱镜、图像传感器件构成的衍射成像装置来完成。本发明所提出的方法具有密钥空间大、安全性高、加密容量大、解密质量高、光学解密装置结构简单的优点。

主权项：1.基于认证相位和结构光照明相位恢复的多图像加密方法，其特征在于：包括加密步骤：S1：约束振幅的生成：对第kk＝1,2幅二值图像gk进行菲涅尔域的双随机相位编码，得到输出面上的振幅信息Ak作为约束振幅。之后，执行加密步骤S2。S2：约束相位的生成：对输入面上的振幅Tk进行菲涅尔域的双随机相位编码，得到输出面上的相位信息作为约束相位。之后，执行加密步骤S3。S3：合成复振幅的双随机相位解码：将输出面上的约束振幅Ak和约束相位合成新的复振幅，并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T′k。之后，执行加密步骤S4。S4：相位输出条件判断：选用相关系数CC作为评价函数来计算解码图像与二值图像之间的相关性，从而检验相位输出条件。在得到输入面上的解码振幅T′k后，将其作为解码图像，计算解码图像T′k与二值图像gk之间的CCk。当计算出的CCk未超出预设阈值σk，即不满足相位输出条件时，则利用输入面上的解码振幅T′k替换输入面上的振幅Tk实现振幅约束，之后再次执行加密步骤S2；当计算出的CCk超出预设阈值σk，即满足相位输出条件时，则执行加密步骤S5。S5：认证相位的生成：输出相位随后配合稀疏矩阵Sk和随机相位R3生成认证相位P1：其中Sk是具有一定稀疏度的二值单位稀疏矩阵，稀疏度为非零元素数与矩阵总元素数之比；为了避免串扰，S1与S2中的非零元素位置应彼此不重叠；R3代表独立分布的随机相位；⊙代表数据嵌入，即中的非零元素保持不变，对中元素值为零的位置逐像素嵌入随机相位R3，从而生成认证相位P1。之后，执行加密步骤S6。S6：加密结构光的生成与照明：假定有N幅明文图像需要加密，其中第n幅明文图像记为fn，下面对明文图像fn进行加密。利用加密结构化相位掩模对单位振幅的准直平面光波进行相位调制，从而生成加密结构光，所以加密结构光的复振幅分布等于加密结构化相位掩模的相位分布。经过加密结构化相位掩模相位调制后生成的加密结构光开始正向衍射传播，作波长为λ，衍射距离为z0的菲涅尔衍射分别到达预设相位掩模P1和P2n的前表面，得到加密结构光正向传播至P1和P2n前表面的复振幅Ua。之后，执行加密步骤S7。S7：正向传播：经过P1和P2n的相位调制后，加密结构光作波长为λ，衍射距离为z1的菲涅尔衍射到达预设相位掩模DKn的前表面，得到加密结构光正向传播至DKn前表面的复振幅Uc。经过DKn的相位调制后，加密结构光作波长为λ，衍射距离为z2的菲涅尔衍射到达重建图像平面，得到加密结构光正向传播至重建图像平面的复振幅Ue。随后，提取并保存加密结构光正向传播至重建图像平面的振幅Ae和相位之后，执行加密步骤S8。S8：收敛条件判断：继续选用相关系数CC作为评价函数来计算解密图像与明文图像之间的相关性，从而检验收敛条件。在得到加密结构光正向传播至重建图像平面的振幅Ae后，将其作为解密图像，计算解密图像Ae与明文图像fn之间的相关系数CC3n，当计算出的CC3n超出预设阈值σ3，即满足收敛条件时，则执行加密步骤S10；当计算出的CC3n未超出预设阈值σ3，即不满足收敛条件时，则执行加密步骤S9。S9：振幅约束下的逆向传播：保留加密结构光正向传播至重建图像平面的相位不变，并且利用明文图像的振幅fn代替加密结构光正向传播至重建图像平面的振幅Ae实现振幅约束，从而在重建图像平面上生成一个新的复振幅即：随后，加密结构光在重建图像平面上被振幅约束后形成新的复振幅开始逆向衍射传播，首先作波长为λ，衍射距离为z2的逆菲涅尔衍射到达DKn的后表面，得到加密结构光逆向传播至DKn后表面的复振幅之后，计算相位为：其中argg代表相位提取运算，并将相位掩模DKn的相位更新为即：经过相位更新后的DKn相位调制后，加密结构光作波长为λ，衍射距离为z1的逆菲涅尔衍射分别到达P1和P2n的后表面，得到加密结构光逆向传播至P1后表面的复振幅和逆向传播至P2n后表面的复振幅之和之后，固定认证相位P1不变，计算相位为：并将相位掩模P2n的相位更新为即：之后，再次执行加密步骤S7。S10：密文与密钥的生成与输出：对待加密的每幅明文图像重复执行加密步骤S6-S9，输出每幅明文图像fn最后更新的相位P2n和DKn，其中DKn作为解密相位密钥。之后，利用相位掩模复用技术，将所有的相位P2n相加得到密文E：同时，输出另外的解密相位密钥PKm：至此，完成加密步骤。解密步骤：D1：解密认证相位的非线性相关认证：由于认证相位P1是多图像解密必需的相位密钥，并且P1中包含二值图像gk的信息，因此在进行多图像解密之前需要对解密认证相位进行认证。首先，将解密认证相位进行菲涅尔域的双随机相位解码，得到解码振幅之后，利用非线性相关算法对解密认证相位进行认证，即将解码振幅和二值图像gk分别进行对比认证，从而得到相应的非线性相关分布nck。当解码振幅和二值图像gk的非线性相关分布中都出现显著的相关峰时，代表解密认证相位认证成功，随后将作为解密相位密钥用于多图像解密，之后执行解密步骤D2；当解码振幅和二值图像gk的非线性相关分布中至少有一个没有出现显著的相关峰时，代表解密认证相位认证失败，解密停止。D2：解密结构光的生成与照明：下面第m幅明文图像fm进行解密。利用解密结构化相位掩模对准直的平面光波进行相位调制，从而生成解密结构光；经过解密结构化相位掩模相位调制后生成的解密结构光开始正向衍射传播，作波长为衍射距离为的菲涅尔衍射分别到达解密认证相位和解密相位的前表面，得到解密结构光正向传播至和前表面的复振幅之后，执行解密步骤D3。D3：正向传播解密：利用密文E和解密相位密钥PKm计算解密相位为：经过解密认证相位和解密相位的相位调制后，解密结构光作波长为衍射距离为的菲涅尔衍射到达解密相位的前表面，得到解密结构光正向传播至DKm前表面的复振幅经过的相位调制后，解密结构光再作波长为衍射距离为的菲涅尔衍射到达解密图像平面，得到解密结构光正向传播至解密图像平面的复振幅随后，提取并保存解密结构光正向传播至解密图像平面的振幅即为第m幅明文图像fm对应的解密结果。之后，利用每幅明文图像对应的解密密钥，重复执行解密步骤D2-D3，输出每幅明文图像对应的解密结果。至此，完成解密步骤。

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百度查询： 中国计量大学 基于认证相位和结构光照明相位恢复的多图像加密方法

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