随机振幅相位混合的光学图像加密
随机振幅相位混合的光学图像加密[20200406125137]
摘要
随着信息社会的发展图像信息的安全越来越受关注，对图像进行加密是保证图像安全传输的重要途径。本课题通过将传统的双随机相位加密系统的空域相位板置换为随机振幅板，从而得到一个安全性更高的加密系统即随机振幅相位混合的光学图像加密系统。
本文首先对传统的基于4 光学系统的双随机相位加密系统进行了分析，指出了相位加密的随机范围局限在0到2p ，也就限制了加密程度。又因为双随机相位系统采用两块随机相位板进行相位调制从而导致系统在频域密钥泄露的情况下，攻击者很容易通过盲反卷积来获得原始图像的信息。根据双随机相位系统的两大缺陷，我们引入了随机振幅相位混合的光学图像加密系统, 就是将双随机相位系统的空域相位板置换为随机振幅板。通过振幅随机范围的增大，提高图像信息的保密性,此外第一次采用振幅加密还可以灵活地使用振幅平均化或倒置等物理方法来搅乱视觉效果从而达到更好的保密性。通过计算机模拟证实了理论分析的正确。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:图像加密盲反卷积4f光学系统振幅相位混合
目录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景概述 1
1.2 课题的研究现状及分析 1
1.3 课题研究的意义 2
2 Fourier变换分析 3
2.1 透镜的相位变换作用 3
2.2 Fourier变换 4
3 加密系统的光学实现与比较 6
3.1 传统的双随机相位光学图像加密 6
3.2 随机振幅相位混合编码光学加密 7
3.3 证明随机振幅相位混合光学加密的可行性 9
4 图像加密的MATLAB实现 12
4.1加密效果的评价参量 12
4.2 加密实现及效果分析 12
4.3 两种光学加密系统的第一次加密效果分析 13
4.4 解密效果分析 15
4.5 振幅随机加密的灵活性 16
4.6 两种光学加密系统在频域密钥泄露下的鲁棒性讨论 16
结语 19
参考文献 20
致谢 21
1 绪论
1.1 课题研究背景概述
信息安全技术已经成为在当今巨大的互联数字信息社会中保护数字信息不受侵害，识别信息用户合法身份的关键技术。图象是我们的重要信息源，图像有更大的信息量，传输速度快，距离远等一系列的优势作用，使我们能够及时获的有用信息。然而近期不断增加的信息安全事故，网络诈骗使得我们不得不去关注自身所处环境，所用设备的安全可靠度。基于近代光学理论和方法的信息隐藏技术与数据加密技术是近年来在全世界活跃开展的新一代信息安全理论与技术[1]。
信息光学系统具有并行数据处理能力。例如，在光学系统中，对每个像素的二维图像，可以同时传输和处理。很明显，光学信息系统的并行能力在处理海量信息时显示出电子信息系统所不能比拟的优势，而且所处理的图像越复杂，信息量越大，这种优势就越明显。同时，光学加密比电子加密具有更多的自由度，信息能够被隐藏在多个自由度空间中。在完成数据加密或信息隐藏的过程里，可以通过计算光的干涉，衍射，成像，滤波，全息等过程对相关的波长，焦距，振幅，光强，相位，偏振态，空间频率和光学元件的特定参数多维编码[2]。光学信息安全技术与传统的计算机为基础的数学密码学和信息安全技术相比，具有多维性，高容量，高鲁棒性和并行处理的内在性质，和许多其他优势。在物理光学的角度，光学信息处理是基于Fourier变换和光学频谱分析的综合技术，通过在空域对图像的调制或在频域对Fourier频谱的调制，借助空间滤波技术对光学信息进行处理[2]。
1.2 课题的研究现状及分析
自1995年Javidi等提出基于4f系统的双随机相位编码光学图像加密技术以来[3]，由于光学信息处理系统的高并行性，高处理速度与维度，使光学图像加密技术的研究成为了信息安全研究领域的热点[3]。光学图像加密技术在近20年里也得到了迅猛的发展，全息光学，小波变换，菲尼尔变换，联合变换相关器等等光学技术被引入到光学图像加密的研究中，并相继取得了很好的成果。许多新的光学图像加密方法被提出，极大地改善了信息安全现状。
就目前比较盛行的图像加密方法有传统的双随机相位图像加密，基于分数傅里叶变换的双随机加密和基于菲尼尔变换全息的图像加密等。传统4f系统的双随机相位编码图像加密技术在研究者的不断研究后其安全性和可实施性得到了很好的改善，在众多的研究中将振幅和相位混合加密的方法也屡见不鲜。振幅加密和相位加密混合的加密方法先后被田巍和秦怡等研究者研究过，并相继在《激光杂志》和《光电工程》中发表其研究成果。其中田巍的随机振幅和相位联合编码图像复合加密是对输入图像的频谱进行振幅与相位联合调制加密，并利用振幅掩膜的二元特性，对两幅图像采用振幅掩膜进行加密，最后得到的加密图像是两幅图像编码后的合成图像。这种方法使得不知密钥的非法解密者在未知相应振幅掩膜的情况解密得到原始图像与干扰图像的相加，从而得不到图像的真实信息。而秦怡所研究的加密方法则是将传统的双随机相位加密系统的空域随机相位板置换成振幅板来进行图像加密，这样加密即交错使用振幅板和相位板使得加密后的图像具有更强的鲁棒性和抵抗暴力攻击能力。
就目前的学术发表来分析，振幅和相位混合的加密方法的研究显然是不多的,相信该方法不久定会激起光学加密研究者的兴趣。
1.3 课题研究的意义
光学在信息安全领域中的研究更多地体现在图像加密技术方面[3]。为了是图像达到很好的加密效果，应该使加密后的图像尽可能接近均匀随机噪声，这样在未知解密密钥的情况下攻击者不能恢复出原始图像。传统的双随机相位编码加密技术在已知明文攻击，选择性明文攻击和唯密文攻击方面其脆弱性显露无疑。
图像加密板有随机相位板和随机振幅板两种,RPM在空域，空间频率域对光场的复振幅进行白化，从而有效地加密图像。在随机相位板的光学实现过程中，将相位板载入到光路的空间光调制器上，需要把相位映射或编码为实数，这个过程存在较大的误差。
为了提高编码精度，且因为振幅板的统计学要求更低等优点，在图像加密时有些研究者采用随机振幅板（RAM），实验研究表明这样做也能得到很好的加密效果,纵观二者利弊，如果将两种加密模板混合使用在双随机图像加密过程中，从理论分析应该会比二次随机相位加密误差更小，比二次随机振幅加密的安全性更高。理论分析表明当随机振幅板和频域的随机相位相互独立且随机振幅板均值为零，被加密图像的自相关函数为二维冲击函数，则原始图像被加密成平稳的复随机白噪声，因而可以抵御盲反卷积攻击[4]。将随机振幅板和随机相位板交叉使用，在理论上可以获得更大的密钥空间，更强的抵抗暴力攻击性，且此加密技术对空域密钥的统计学要求更低，空域密钥较之于二次随机相位加密更易获取，在频域密钥泄露的情况下，未知空域密钥，攻击者不能准确获取图像真实有用的信息。
本次课题研究的目的和意义便是就理论分析的振幅相位板交叉使用的优点进行深入研究，通过数学推导和计算机模拟仿真，从而有效地肯定此图像加密振幅板和相位板的比较方法的优越性。
2 Fourier变换分析
2.1 透镜的相位变换作用
图 2.1.1 透镜的相位变换作用
如图2.1.1所示，点源 发出的发散球面波经过透镜后，在 会聚形成 点的像。作P1和P2平面分别与透镜两顶点相切，根据菲涅尔近似， 点发出的求面波在P1上的某点 处的复振幅为：
（2-1）
而球面波在P2的光场则可以看成是 点向左发射的球面波，P2上的某点 处的复振幅为：
（2-2）
其中 透镜的复振幅透过率定义为[5]：
（2-3）
根据透镜的成像公式：
（2-4）
结合（1），（2）两式的：
（2-5）
因为
2.2 Fourier变换
摘要
随着信息社会的发展图像信息的安全越来越受关注，对图像进行加密是保证图像安全传输的重要途径。本课题通过将传统的双随机相位加密系统的空域相位板置换为随机振幅板，从而得到一个安全性更高的加密系统即随机振幅相位混合的光学图像加密系统。
本文首先对传统的基于4 光学系统的双随机相位加密系统进行了分析，指出了相位加密的随机范围局限在0到2p ，也就限制了加密程度。又因为双随机相位系统采用两块随机相位板进行相位调制从而导致系统在频域密钥泄露的情况下，攻击者很容易通过盲反卷积来获得原始图像的信息。根据双随机相位系统的两大缺陷，我们引入了随机振幅相位混合的光学图像加密系统, 就是将双随机相位系统的空域相位板置换为随机振幅板。通过振幅随机范围的增大，提高图像信息的保密性,此外第一次采用振幅加密还可以灵活地使用振幅平均化或倒置等物理方法来搅乱视觉效果从而达到更好的保密性。通过计算机模拟证实了理论分析的正确。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:图像加密盲反卷积4f光学系统振幅相位混合
目录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景概述 1
1.2 课题的研究现状及分析 1
1.3 课题研究的意义 2
2 Fourier变换分析 3
2.1 透镜的相位变换作用 3
2.2 Fourier变换 4
3 加密系统的光学实现与比较 6
3.1 传统的双随机相位光学图像加密 6
3.2 随机振幅相位混合编码光学加密 7
3.3 证明随机振幅相位混合光学加密的可行性 9
4 图像加密的MATLAB实现 12
4.1加密效果的评价参量 12
4.2 加密实现及效果分析 12
4.3 两种光学加密系统的第一次加密效果分析 13
4.4 解密效果分析 15
4.5 振幅随机加密的灵活性 16
4.6 两种光学加密系统在频域密钥泄露下的鲁棒性讨论 16
结语 19
参考文献 20
致谢 21
1 绪论
1.1 课题研究背景概述
信息安全技术已经成为在当今巨大的互联数字信息社会中保护数字信息不受侵害，识别信息用户合法身份的关键技术。图象是我们的重要信息源，图像有更大的信息量，传输速度快，距离远等一系列的优势作用，使我们能够及时获的有用信息。然而近期不断增加的信息安全事故，网络诈骗使得我们不得不去关注自身所处环境，所用设备的安全可靠度。基于近代光学理论和方法的信息隐藏技术与数据加密技术是近年来在全世界活跃开展的新一代信息安全理论与技术[1]。
信息光学系统具有并行数据处理能力。例如，在光学系统中，对每个像素的二维图像，可以同时传输和处理。很明显，光学信息系统的并行能力在处理海量信息时显示出电子信息系统所不能比拟的优势，而且所处理的图像越复杂，信息量越大，这种优势就越明显。同时，光学加密比电子加密具有更多的自由度，信息能够被隐藏在多个自由度空间中。在完成数据加密或信息隐藏的过程里，可以通过计算光的干涉，衍射，成像，滤波，全息等过程对相关的波长，焦距，振幅，光强，相位，偏振态，空间频率和光学元件的特定参数多维编码[2]。光学信息安全技术与传统的计算机为基础的数学密码学和信息安全技术相比，具有多维性，高容量，高鲁棒性和并行处理的内在性质，和许多其他优势。在物理光学的角度，光学信息处理是基于Fourier变换和光学频谱分析的综合技术，通过在空域对图像的调制或在频域对Fourier频谱的调制，借助空间滤波技术对光学信息进行处理[2]。
1.2 课题的研究现状及分析
自1995年Javidi等提出基于4f系统的双随机相位编码光学图像加密技术以来[3]，由于光学信息处理系统的高并行性，高处理速度与维度，使光学图像加密技术的研究成为了信息安全研究领域的热点[3]。光学图像加密技术在近20年里也得到了迅猛的发展，全息光学，小波变换，菲尼尔变换，联合变换相关器等等光学技术被引入到光学图像加密的研究中，并相继取得了很好的成果。许多新的光学图像加密方法被提出，极大地改善了信息安全现状。
就目前比较盛行的图像加密方法有传统的双随机相位图像加密，基于分数傅里叶变换的双随机加密和基于菲尼尔变换全息的图像加密等。传统4f系统的双随机相位编码图像加密技术在研究者的不断研究后其安全性和可实施性得到了很好的改善，在众多的研究中将振幅和相位混合加密的方法也屡见不鲜。振幅加密和相位加密混合的加密方法先后被田巍和秦怡等研究者研究过，并相继在《激光杂志》和《光电工程》中发表其研究成果。其中田巍的随机振幅和相位联合编码图像复合加密是对输入图像的频谱进行振幅与相位联合调制加密，并利用振幅掩膜的二元特性，对两幅图像采用振幅掩膜进行加密，最后得到的加密图像是两幅图像编码后的合成图像。这种方法使得不知密钥的非法解密者在未知相应振幅掩膜的情况解密得到原始图像与干扰图像的相加，从而得不到图像的真实信息。而秦怡所研究的加密方法则是将传统的双随机相位加密系统的空域随机相位板置换成振幅板来进行图像加密，这样加密即交错使用振幅板和相位板使得加密后的图像具有更强的鲁棒性和抵抗暴力攻击能力。
就目前的学术发表来分析，振幅和相位混合的加密方法的研究显然是不多的,相信该方法不久定会激起光学加密研究者的兴趣。
1.3 课题研究的意义
光学在信息安全领域中的研究更多地体现在图像加密技术方面[3]。为了是图像达到很好的加密效果，应该使加密后的图像尽可能接近均匀随机噪声，这样在未知解密密钥的情况下攻击者不能恢复出原始图像。传统的双随机相位编码加密技术在已知明文攻击，选择性明文攻击和唯密文攻击方面其脆弱性显露无疑。
图像加密板有随机相位板和随机振幅板两种,RPM在空域，空间频率域对光场的复振幅进行白化，从而有效地加密图像。在随机相位板的光学实现过程中，将相位板载入到光路的空间光调制器上，需要把相位映射或编码为实数，这个过程存在较大的误差。
为了提高编码精度，且因为振幅板的统计学要求更低等优点，在图像加密时有些研究者采用随机振幅板（RAM），实验研究表明这样做也能得到很好的加密效果,纵观二者利弊，如果将两种加密模板混合使用在双随机图像加密过程中，从理论分析应该会比二次随机相位加密误差更小，比二次随机振幅加密的安全性更高。理论分析表明当随机振幅板和频域的随机相位相互独立且随机振幅板均值为零，被加密图像的自相关函数为二维冲击函数，则原始图像被加密成平稳的复随机白噪声，因而可以抵御盲反卷积攻击[4]。将随机振幅板和随机相位板交叉使用，在理论上可以获得更大的密钥空间，更强的抵抗暴力攻击性，且此加密技术对空域密钥的统计学要求更低，空域密钥较之于二次随机相位加密更易获取，在频域密钥泄露的情况下，未知空域密钥，攻击者不能准确获取图像真实有用的信息。
本次课题研究的目的和意义便是就理论分析的振幅相位板交叉使用的优点进行深入研究，通过数学推导和计算机模拟仿真，从而有效地肯定此图像加密振幅板和相位板的比较方法的优越性。
2 Fourier变换分析
2.1 透镜的相位变换作用
图 2.1.1 透镜的相位变换作用
如图2.1.1所示，点源 发出的发散球面波经过透镜后，在 会聚形成 点的像。作P1和P2平面分别与透镜两顶点相切，根据菲涅尔近似， 点发出的求面波在P1上的某点 处的复振幅为：
（2-1）
而球面波在P2的光场则可以看成是 点向左发射的球面波，P2上的某点 处的复振幅为：
（2-2）
其中 透镜的复振幅透过率定义为[5]：
（2-3）
根据透镜的成像公式：
（2-4）
结合（1），（2）两式的：
（2-5）
因为
2.2 Fourier变换
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