一種基于全息術(shù)的圖像分區(qū)加密系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于全息術(shù)的圖像分區(qū)加密系統(tǒng)及方法。所述系統(tǒng)包括激光器，第一、第二和第三反射鏡，擴束準直系統(tǒng)，分束器，二分之一波片，四分之一波片，空間光調(diào)制器，第一和第二隨機相位板，高速圖像采集設(shè)備，計算機。本發(fā)明利用孔徑掃描將待加密明文信息分割為若干個子區(qū)域的物信息，不同子區(qū)域的物信息經(jīng)隨機相位調(diào)制后的光束作為物光。引入隨機相位調(diào)制的參考光與經(jīng)過每個子區(qū)域物信息調(diào)制的光波進行干涉生成一系列加密的子全息圖，實現(xiàn)明文信息的加密工作；再利用數(shù)字處理的辦法對每個加密后的子全息圖進行解密，分別獲得各子區(qū)域的明文信息，將若干子區(qū)域疊加合成恢復(fù)出整幅明文信息。本發(fā)明所述方法可以大大提高加密信息的保密程度。
【專利說明】—種基于全息術(shù)的圖像分區(qū)加密系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及全息術(shù)和光學(xué)圖像加密技術(shù)，具體涉及一種基于全息術(shù)的圖像分區(qū)加密系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著信息高速公路的建設(shè)和計算機科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，在追求信息快速傳遞的過程中保證信息安全的重要性逐漸突出。由于光學(xué)信息處理的并行性、快速性以及能夠提供多種加密維數(shù)的優(yōu)勢，運用光學(xué)方法對圖像進行加密一直是圖像加密技術(shù)的一個重要研究方面。
[0003]自Philippe Refregier和Bahram Javidi提出利用雙隨機相位板對圖像進行加密后，光學(xué)圖像加密技術(shù)得到廣泛關(guān)注與快速發(fā)展。但由于獲得的加密圖像透過率函數(shù)通常為復(fù)函數(shù)，不便于打印與傳輸。針對這些缺點，Takanori Nomura和Bahrain Javidi提出利用JTC(Joint Transform Correlator)系統(tǒng)進行光學(xué)圖像加密。但是上述這類基于光學(xué)信息處理的單通道圖像加密技術(shù)在解密過程中，獲得密鑰(隨機相位板的復(fù)共軛)存在困難，并且復(fù)函數(shù)密鑰本身也不利于傳輸，至今還鮮有實驗結(jié)果報道。Enrique Tajahuerce首先提出了利用全息技術(shù)進行光學(xué)圖像加密，利用全息技術(shù)的特點對圖像進行加密，并且加密后的全息圖為實函數(shù)可以直接用于傳輸。
[0004]在目前的光學(xué)圖像加密系統(tǒng)中，雖然在加密技術(shù)上各有不同，不過都是對整幅明文信息進行加密和傳輸，這樣就使得明文保密程度受到一定限制，一旦密鑰泄露，明文信息將輕易被解密出來。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明提出了一種基于全息術(shù)的圖像分區(qū)加密系統(tǒng)及方法，利用孔徑掃描將明文分割后再對每個分割后的圖像進行加密，提高明文的保密程度。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案。
[0007]本發(fā)明是利用孔徑掃描將待加密明文信息分割為若干個子區(qū)域的物信息，不同子區(qū)域的物信息經(jīng)隨機相位調(diào)制后的光束作為物光。引入隨機相位調(diào)制的參考光與經(jīng)過每個子區(qū)域物信息調(diào)制的光波進行干涉生成一系列子全息圖，實現(xiàn)明文信息的分區(qū)加密；解密過程首先獲得密鑰，每個加密后的子全息圖與所得密鑰相除得到解密后的子全息圖，再利用菲涅耳衍射數(shù)值再現(xiàn)算法對各解密后的子全息圖進行重建分別獲得各子區(qū)域的明文信息，將若干子區(qū)域疊加合成恢復(fù)出整幅明文信息。
[0008]—種基于全息術(shù)的圖像分區(qū)加密系統(tǒng)，包括:激光器，第一、第二和第三反射鏡，擴束準直系統(tǒng),分束器，二分之一波片，四分之一波片，空間光調(diào)制器，第一和第二隨機相位板，高速圖像采集設(shè)備，計算機。
[0009]激光器發(fā)出的光經(jīng)過第一反射鏡反射后，依次經(jīng)過擴束系統(tǒng)和準直透鏡后成為平行光，通過分束器分束后分成兩束光波:一束依次經(jīng)過第三反射鏡、第一隨機相位板，在經(jīng)過隨機相位板后平行波面將發(fā)生畸變，畸變的波面經(jīng)待加密明文至空間光調(diào)制器，空間光調(diào)制器在計算機控制下加載光孔信息，對明文信息進行分割，形成全息記錄的物光；另一束依次經(jīng)過二分之一波片、四分之一波片，平行波面將根據(jù)二分之一波片和四分之一波片快慢軸位置的不同產(chǎn)生O、π/2、和3π/2的相位延遲，再經(jīng)過第二反射鏡和第二隨機相位板，相位延遲后的平行波面將發(fā)生畸變，成為全息記錄的參考光。最后通過分束器合束后被高速圖像采集設(shè)備所記錄。
[0010]所述空間光調(diào)制器為振幅型透射式空間光調(diào)制器，與計算機相連，在計算機控制下加載光孔信息，對明文信息進行分割。
[0011]所述高速圖像采集設(shè)備是以CCD或者CMOS為圖像傳感器的相機探測器。
[0012]所述第一隨機相位板和第二隨機位相板互不相關(guān)。所述第一隨機相位板的大小能
將明文信息全部覆蓋。
[0013]利用所述圖像加密系統(tǒng)對圖像進行加密與解密的方法包括以下步驟:
[0014]步驟1，對圖像進行分割并加密。
[0015]步驟1.1，在所述圖像加密系統(tǒng)中的一路上依次緊貼放置隨機相位板、待加密明文和空間光調(diào)制器，并將這一路作為物光路。
[0016]步驟1.2，在所述圖像加密系統(tǒng)中的另一路上放置另一塊隨機相位板，將這一路作為參考光路。
[0017]步驟1.3，通過計算機在空間光調(diào)制器上加載光孔信息，使只有在小孔區(qū)域內(nèi)的明文能夠繼續(xù)傳播，將明文信息分割為若干子區(qū)域。
[0018]步驟1.4，在參考光路中放置二分之一波片和四分之一波片，分別產(chǎn)生O、π/2、π和3 π /2的相位延遲，分別記錄帶有不同相移的4幅全息圖。
[0019]步驟1.5,利用四步相移方法獲得復(fù)值全息圖，完成彳目息的加密。
[0020]步驟1.6，移動空間光調(diào)制器上的小孔位置，對明文信息進行掃描。
[0021]步驟1.7，將分割后的明文信息分別保存在加密后的復(fù)值全息圖中。
[0022]步驟2，生成密鑰。
[0023]步驟2.1，將物光路上的隨機相位板、待加密明文和空間光調(diào)制器都移出光路，并且保持參考光路不變。
[0024]步驟2.2，調(diào)節(jié)參考光路上二分之一波片和四分之一波片，分別產(chǎn)生O、π /2、π和3 /2的相位延遲，分別記錄相移后的全息圖。
[0025]步驟2.3，利用四步相移技術(shù)獲得密鑰的復(fù)值全息圖。
[0026]步驟3，進行數(shù)字解密。
[0027]步驟3.1，將每張加密后的復(fù)值全息圖分別和密鑰的復(fù)值全息圖相除，將得到的全息圖進行再現(xiàn)，恢復(fù)出被孔徑分割的明文信息。
[0028]步驟3.2，將恢復(fù)出來的部分明文信息進行疊加，獲得最終的整幅明文信息。
[0029]本發(fā)明的有益效果:采用本發(fā)明所述的技術(shù)，可以在計算機的控制下基于空間光調(diào)制器上加載適當?shù)目讖綄γ魑男畔⑦M行掃描，分割為若干子區(qū)域，對不同子區(qū)域生成全息圖實現(xiàn)整幅信息的加密，提高了加密信息的保密程度?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明所涉及的系統(tǒng)光路圖；
[0031]圖2為密鑰生成光路圖；
[0032]圖3為待加密明文圖像；
[0033]圖4為加密全息圖；
[0034]圖5為解密后部分明文圖像；
[0035]圖6為合成整幅明文圖像。
[0036]圖1、2中:1—激光器,2—第一反射鏡，一3擴束系統(tǒng),4一準直透鏡,5—分束器，6一二分之一波片，7—四分之一波片,8—第二反射鏡,9一第三反射鏡，10—第一隨機相位板，11—待加密明文，12—空間光調(diào)制器，13 一第二隨機相位板，14 一分束器，15 —聞速圖像米集設(shè)備，16一計算機。
【具體實施方式】
[0037]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步說明。
[0038]基于全息術(shù)的圖像加密系統(tǒng)如圖1所示，包括:激光器1，第一反射鏡2，擴束系統(tǒng)
3,準直透鏡4,分束器5, 二分之一波片6,四分之一波片7,第二反射鏡8,第三反射鏡9,第一隨機相位板10，待加密明文11，空間光調(diào)制器12，第二隨機相位板13，分束器14，高速圖像采集設(shè)備15，計算機16。
[0039]激光器I發(fā)出的光經(jīng)過第一反射鏡2反射后，依次經(jīng)過擴束系統(tǒng)3和準直透鏡4后成為平行光，通過分束器5分束后分成兩束光波:一束經(jīng)第三反射鏡9反射后至第一隨機相位板10，經(jīng)過隨機相位板10后平行波面發(fā)生畸變，畸變的波面經(jīng)待加密明文11至空間光調(diào)制器12，空間光調(diào)制器12在計算機16控制下加載光孔信息，對明文信息進行分割，形成全息記錄的物光；另一束依次經(jīng)過二分之一波片6、四分之一波片7，平行波面將根據(jù)二分之一波片6和四分之一波片7快慢軸位置的不同產(chǎn)生O、π/2、π和3π/2的相位延遲，再經(jīng)過第二反射鏡8和第二隨機相位板13，相位延遲后的平行波面將發(fā)生畸變，成為全息記錄的參考光。最后通過分束器14合束后被高速圖像采集設(shè)備15所記錄。
[0040]應(yīng)用本發(fā)明所述系統(tǒng)進行加密解密的方法包括以下內(nèi)容:
[0041]1.加密。
[0042](I)設(shè)置物光路:按照圖1所示的結(jié)構(gòu)依次緊貼放置第一隨機相位板10、待加密明文11和空間光調(diào)制器12。為了保證加密效果，第一隨機相位板10能夠覆蓋住待加密明文11上的全部信息。
[0043](2)設(shè)置參考光路:按照圖1放置第二隨機相位板13。
[0044](3)通過計算機16在空間光調(diào)制器12上加載光孔信息，光孔大小和光孔掃描間隔可以根據(jù)保密程度的要求進行調(diào)節(jié)，不過光孔必須對全部明文進行掃描，從而保證明文信息不會丟失。
[0045](4)在參考光路中放置二分之一波片6和四分之一波片7,在光孔掃描的每一個位置，通過調(diào)節(jié)二分之一波片6和四分之一波片7的快慢軸使得在參考光光路中產(chǎn)生O、π/2、π和3 π /2的相位延遲，利用高速圖像采集設(shè)備15記錄這4張全息圖。
[0046](5)利用四步相移方法獲得光孔在每一個掃描位置的復(fù)值全息圖，作為最后的加密圖像，從而實現(xiàn)明文的分割與加密。
[0047](6)移動空間光調(diào)制器12上的小孔位置，對明文信息的掃描。
[0048](7)將分割后的明文信息分別保存在加密后的復(fù)值全息圖中。
[0049]圖3為一待加密明文圖像，經(jīng)過加密后生成圖4所示的加密圖像，從圖4中可以看出，待加密明文已經(jīng)變成穩(wěn)定白噪聲，無法從圖中獲得明文信息，說明該發(fā)明實現(xiàn)了加密工作。
[0050]2.生成密鑰
[0051](I)將物光路中的第一隨機相位板10、待加密明文11和空間光調(diào)制器12都移出光路，并且保持參考光路不變。密鑰生成光路圖如圖2所示。
[0052](2)調(diào)節(jié)二分之一波片6和四分之一波片7的快慢軸，在參考光光路中產(chǎn)生O、π/2、π和3 31 /2的相位延遲,利用高速圖像采集設(shè)備15保存這4張全息圖。
[0053](3)利用四步相移技術(shù)獲得密鑰的復(fù)值全息圖。
[0054]3.解密
[0055](I)將每一張加密的復(fù)值全息圖與密鑰的復(fù)值全息圖分別相除，恢復(fù)透過光孔的一部分明文信息。圖5是加密圖像經(jīng)過解密后恢復(fù)出來的明文子區(qū)域，從圖中可以看出，解密過程實現(xiàn)了明文部分信息的恢復(fù)，并且如果不能獲得全部加密全息圖就不能得到整幅明文信息，提高了圖像加密的保密程度。
[0056](2)將這每一部分的明文信息疊加后能夠恢復(fù)出最終的明文信息。圖6是解密后所有加密圖像疊加合成的整幅明文圖像。從圖中可以看出，解密后明文信息完整并且有實現(xiàn)了高保真。
【權(quán)利要求】
1.一種基于全息術(shù)的圖像分區(qū)加密系統(tǒng)，其特征在于包括:激光器I，第一反射鏡2，擴束系統(tǒng)3,準直透鏡4,分束器5, 二分之一波片6,四分之一波片7,第二反射鏡8,第三反射鏡9，第一隨機相位板10，待加密明文11，空間光調(diào)制器12，第二隨機相位板13，分束器14，高速圖像采集設(shè)備15，計算機16 ； 激光器I發(fā)出的光經(jīng)過第一反射鏡2反射后，依次經(jīng)過擴束系統(tǒng)3和準直透鏡4后成為平行光，通過分束器5分束后分成兩束光波:一束經(jīng)第三反射鏡9反射后至第一隨機相位板10，經(jīng)過隨機相位板10后平行波面發(fā)生畸變，畸變的波面經(jīng)待加密明文11至空間光調(diào)制器12，空間光調(diào)制器12在計算機16控制下加載光孔信息，對明文信息進行分割，形成全息記錄的物光；另一束依次經(jīng)過二分之一波片6、四分之一波片7，平行波面將根據(jù)二分之一波片6和四分之一波片7快慢軸位置的不同產(chǎn)生O、π/2、π和3π/2的相位延遲，再經(jīng)過第二反射鏡8和第二隨機相位板13，相位延遲后的平行波面將發(fā)生畸變，成為全息記錄的參考光；最后通過分束器14合束后由高速圖像采集設(shè)備15記錄。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于全息術(shù)的圖像分區(qū)加密系統(tǒng)，其特征在于，所述空間光調(diào)制器12為振幅型透射式空間光調(diào)制器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于全息術(shù)的圖像分區(qū)加密系統(tǒng)，所述高速圖像采集設(shè)備15是以CXD或者CMOS為圖像傳感器的相機探測器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于全息術(shù)的圖像分區(qū)加密系統(tǒng)，其特征在于，所述第一隨機相位板和第二隨機位相板互不相關(guān)；所述第一隨機相位板的大小能將明文信息全部覆蓋。`
5.一種基于全息術(shù)的圖像分區(qū)加密方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟1，對圖像進行分割并加密； 步驟1.1，在所述圖像加密系統(tǒng)中的一路上依次緊貼放置隨機相位板10、待加密明文11和空間光調(diào)制器12，并將這一路作為物光路； 步驟1.2，在所述圖像加密系統(tǒng)中的另一路上放置另一塊隨機相位板13，將這一路作為參考光路； 步驟1.3，通過計算機16在空間光調(diào)制器12上加載光孔信息，使只有在小孔區(qū)域內(nèi)的明文能夠繼續(xù)傳播，將明文信息分割為若干子區(qū)域； 步驟1.4，在參考光路中放置二分之一波片6和四分之一波片7，分別產(chǎn)生O、π/2、π和3 π /2的相位延遲，利用高速圖像采集設(shè)備15保存這4張全息圖； 步驟1.5，利用四步相移方法獲得復(fù)值全息圖，完成信息的加密； 步驟1.6，移動空間光調(diào)制器12上的小孔位置，對明文信息進行掃描； 步驟1.7，將分割后的明文信息分別保存在加密后的復(fù)值全息圖中； 步驟2，生成密鑰； 步驟2.1，將物光路上的隨機相位板10、待加密明文11和空間光調(diào)制器12都移出光路，并且保持參考光路不變； 步驟2.2，調(diào)節(jié)參考光路上二分之一波片6和四分之一波片7，分別產(chǎn)生O、Ji /2、Ji和`3 π /2的相位延遲，利用高速圖像采集設(shè)備15保存這4張全息圖； 步驟2.3，利用四步相移技術(shù)獲得密鑰的復(fù)值全息圖； 步驟3，進行數(shù)字解密；步驟3.1，將每張加密后的復(fù)值全息圖分別和密鑰的復(fù)值全息圖相除，將得到的全息圖進行再現(xiàn)，恢復(fù)出被孔徑分割的明文信息； 步驟3.2，將恢復(fù)出來的部分明文`信息進行疊加，獲得最終的整幅明文信息。
【文檔編號】G03H1/22GK103676596SQ201310728525
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月26日
【發(fā)明者】萬玉紅, 楊京寰, 滿天龍, 江竹青, 王大勇 申請人:北京工業(yè)大學(xué)