基于相位恢復(fù)和稀疏雙隨機相位加密的安全認(rèn)證方法
【專利摘要】一種基于相位恢復(fù)和稀疏雙隨機相位加密的安全認(rèn)證方法。按如下兩大步驟進行：一是加密：利用菲涅耳域雙隨機相位加密系統(tǒng)將待加密圖像加密成一振幅圖像，通過相位恢復(fù)算法得到輸出面相位的近似分布，最終通過隨機抽取元素的方法生成稀疏雙隨機相位加密圖像；二是解密與認(rèn)證：首先對稀疏雙隨機相位加密圖像進行解密，接著對解密后得到的圖像與原始圖像進行對比認(rèn)證。本發(fā)明提出的安全認(rèn)證方法具有加密光路簡單、原始信息保密性好和認(rèn)證過程簡單可靠的優(yōu)點。
【專利說明】基于相位恢復(fù)和稀疏雙隨機相位加密的安全認(rèn)證方法 【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001] 本發(fā)明涉及一種信息安全【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是圖像的安全認(rèn)證方法。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 近年來，基于雙隨機相位加密的圖像加密技術(shù)和基于相位恢復(fù)算法的圖像加密技 術(shù)引起了人們的廣泛關(guān)注。雙隨機相位加密技術(shù)是由美國Connecticut大學(xué)的Refregier 和Javidi兩位專家在1995年提出，它是光學(xué)理論在信息安全領(lǐng)域的重要運用。雙隨機相 位加密技術(shù)的主要思想是將兩塊統(tǒng)計無關(guān)的隨機相位板放置在4f光學(xué)系統(tǒng)的輸入平面和 傅立葉頻譜面上，用來對原圖像的空間信息和頻譜信息作隨機擾亂，從而在系統(tǒng)的輸出平 面上得到統(tǒng)計特性隨時間平移不變化的平穩(wěn)白噪聲，最終達到加密的目的。相位恢復(fù)算法 則是一種通過可測量的光場強度確定光場相位分布的方法，屬于解決"逆問題"的重要技 術(shù)。它與雙隨機相位加密技術(shù)的結(jié)合運用為信息安全技術(shù)的研宄提供了新的手段。1996 年，Johnson和Brasher利用相位恢復(fù)算法將圖像信息加密到兩塊相位板中，解密則通過經(jīng) 典的雙隨機相位加密裝置實現(xiàn)。
[0003] 利用雙隨機相位加密系統(tǒng)對圖像進行光學(xué)加密后，通過光子成像或者計算機技術(shù) 對光學(xué)加密結(jié)果進行稀疏化處理，生成的稀疏加密圖像可以用于安全認(rèn)證。與目前報道的 很多數(shù)字認(rèn)證方法不同，基于稀疏雙隨機相位加密的認(rèn)證方法結(jié)合了光學(xué)加密和圖像認(rèn)證 兩種方式，安全性高。相位恢復(fù)算法已經(jīng)成功地運用于圖像加密領(lǐng)域，它在基于稀疏雙隨機 相位加密的認(rèn)證方法中的應(yīng)用則有待開展。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供基于相位恢復(fù)和稀疏雙隨機相位加密的安全認(rèn) 證方法。
[0005] 解決上述技術(shù)問題采用如下技術(shù)措施：基于相位恢復(fù)和稀疏雙隨機相位加密的安 全認(rèn)證方法按如下步驟進行：
[0006] (1)加密：
[0007] (i)f(x，y)代表待加密并用于認(rèn)證的原始圖像，利用菲涅耳域的雙隨機相位加密 系統(tǒng)對f(x，y)進行加密，R 1U, y)和R2 (u，v)是雙隨機相位加密系統(tǒng)中的兩塊隨機相位板， 可分別表示成exp[2 π η (X，y)]和exp[2 π r2(u，V)]，其中rjx，y)、r2(u，V)代表兩個統(tǒng)計 無關(guān)且在區(qū)間[0，1]上具有均勻概率分布的隨機矩陣，（X，y)和（u，v)分別表示輸入平面 和菲涅耳衍射輸出平面的坐標(biāo)，對f( x，y)和加密密鑰R1(Xd)的乘積作一次波長為λ、距 離為Z 1的菲涅耳變換，得到的結(jié)果與R2 (u，v)相乘后再作一次波長為λ，距離為Z2的菲涅 耳變換，對變換后的結(jié)果取振幅即得到f(x，y)經(jīng)菲涅耳域雙隨機相位加密系統(tǒng)加密后的 振幅圖像，BP :
[0008]
【權(quán)利要求】
1. 一種基于相位恢復(fù)和稀疏雙隨機相位加密的安全認(rèn)證方法，其特征是按如下步驟進 行： (1)加密： (i) f(x，y)代表待加密并用于認(rèn)證的原始圖像，利用菲涅耳域的雙隨機相位加密系統(tǒng) 對f(x，y)進行加密，R1U, y)和馬〇1，V)是雙隨機相位加密系統(tǒng)中的兩塊隨機相位板，可 分別表示成exp[2 π η (X，y)]和exp[2 π r2(u，V)]，其中rjx，y)、r2(u，V)代表兩個統(tǒng)計無 關(guān)且在區(qū)間[〇，1]上具有均勻概率分布的隨機矩陣，（X，y)和（u，V)分別表示輸入平面和 菲涅耳衍射輸出平面的坐標(biāo)，對f(x，y)和加密密鑰R 1Ud)的乘積作一次波長為λ、距離 為Z1的菲涅耳變換，得到的結(jié)果與R2 (u，v)相乘后再作一次波長為λ，距離為22的菲涅耳 變換，對變換后的結(jié)果取振幅即得到f(x，y)經(jīng)菲涅耳域雙隨機相位加密系統(tǒng)加密后的振 幅圖像，即：
其中FrTH代表菲涅耳變換，PT{}代表取振幅操作，即除去復(fù)振幅的相位信息，只保留 振幅部分的信息，（V，太）表示菲涅耳域雙隨機相位加密系統(tǒng)輸出平面的坐標(biāo)y以某一 函數(shù)UtlU, y)為例，在波長為λ的平面相干光波照射下，傳播方向上距離為z處的菲涅耳 衍射分布數(shù)學(xué)上表不為：
式（2)的逆變換表示為： U0(x, y) = IFrTzj λ UKxr ,y' )} (3) 其中IFrTH代表逆菲涅耳變換； (ii) 接著利用相位恢復(fù)算法計算雙隨機相位加密系統(tǒng)輸出面上相位的近似分布，假定 在第η次（η = 1，2,3…）迭代運算過程中，系統(tǒng)輸入面上的圖像為fn(x，y)，則其所對應(yīng)的 輸出面上的加密結(jié)果為：
其中，特別規(guī)定，當(dāng)η = 1時，初始輸入信號fjxd)是一元素值均為1的矩陣，由式（4) 得到的加密結(jié)果En(x'，y')的相位信息可表示為： Pn(χ/ ?' ) = PR{En(xr ,y' )} (5) 其中PRO表示相位保留操作，即除去復(fù)振幅的振幅信息，只保留相位部分的信息； (iii) 式⑴得到的E(x'，y')與式（5)得到的pn(x'，y')相乘，其乘積作為雙 隨機相位加密系統(tǒng)解密過程中的輸入信號，則系統(tǒng)輸出信號的振幅分布具體表示為：
其中表示復(fù)共軛，接著對Φη(χ，y)進行中值濾波，得到的結(jié)果作為第n+1次迭代 運算中所需的輸入信息，即： fn+i(x，y) = MFilt[Φη(χ，y)] (7) 其中MFilt □表示中值濾波操作； (iv)重復(fù)步驟（ii)和（iii)，當(dāng)?shù)螖?shù)大于某一整數(shù)N時，迭代終止，由式（5)得到 PN(V，太），接著對相位PN(V，太）與E(x'，y')相乘后的結(jié)果進行隨機抽取操作， 生成稀疏雙隨機相位加密圖，太），即： Κχ'，y' ）= SP{pN(x'，y' ）E(x'，y' ）} (8) 其中SP{}表示隨機抽取元素操作； (2)解密與認(rèn)證： (i) 稀疏雙隨機相位加密圖像，太）作一次波長為λ，距離為Z2的逆菲涅耳 變換，變換得到的結(jié)果與相位冗（M，V)相乘后再經(jīng)過一次波長為λ，距離為Zl的逆菲涅耳 變換，對變換后的結(jié)果進行取振幅操作得到最終的解密結(jié)果，即：
從上式可以看出，波長λ、衍射距離Zl、衍射距離Z2和相位分布都是解密所 需的密鑰； (ii) 對上一步驟中得到的fs(x，y)與原圖f (X，y)進行對比認(rèn)證，認(rèn)證采用的非線性 相關(guān)方法的計算表達式為： NC(x,y) = |lFT{FT[fs(x,y)] · {FT[f (x, y) ]}* | FT[fs(x, y) ] · {FT[f (x, y) ]}*| ^1} 12 (10) 其中I I表示取模，F(xiàn)T□和IFT{}分別表示傅立葉變換和逆傅立葉變換，ω表示非線性 的強度，當(dāng)認(rèn)證成功時，函數(shù)NC(x，y)的分布圖中將出現(xiàn)尖銳的相關(guān)峰。
【文檔編號】G06T1/00GK104517261SQ201510009232
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2015年1月8日 優(yōu)先權(quán)日:2015年1月8日
【發(fā)明者】汪小剛, 周國泉, 戴朝卿 申請人:浙江農(nóng)林大學(xué)