一種數字圖像的動態(tài)隨機密鑰加密和解密方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種數字圖像加密和解密方法，屬于信息安全領域和圖像處理領域。
【背景技術】
[0002] 基于光學理論與方法的密碼技術是近年來在國際上開始起步發(fā)展的新一代密碼 理論與技術。與傳統(tǒng)的基于數學的計算機密碼學相比，光學密碼技術具有多維、大信息量、 多自由度、固有的并行數據處理能力等諸多優(yōu)點。
[0003] 在采用光學方法對數據進行加密和解密方面，1995年P. Refregier和B. Javidi 首次提出在標準4f光信號處理器中通過雙隨機相位編碼進行數據加密的光學方法。該方 法的基本原理是：在輸入平面和傅里葉頻譜面上各放置一個互不相關的隨機相位掩模板， 從而對輸入圖像進行加密，在輸出平面上得到加密圖像，加密后的圖像是統(tǒng)計特性隨時間 平移不變的廣義平穩(wěn)白噪聲。解密可以看作加密的逆過程，在4f系統(tǒng)的頻譜面和輸出面分 別放上原頻譜面和輸入面的共軛相位掩模板。基于4f?系統(tǒng)的特殊性能，在解密的過程中只 有用到完全相同的4f系統(tǒng)并在正確的位置放置相應的共軛相位掩模板，才能準確的得到 圖像的信息，因此加密的安全性很高。
[0004] 雙隨機相位加密系統(tǒng)采用4f系統(tǒng)的輸出平面作為密文，而明文放在系統(tǒng)的輸入 平面，這就使得密碼系統(tǒng)的明文和密文滿足了物象關系，密碼系統(tǒng)從本質上來說是一種線 性系統(tǒng)。對線性系統(tǒng)而言，其明文、密文和密鑰之間的函數依賴關系比較簡單，這就為其安 全性留下了很大的隱患。2005年，Carnicer等發(fā)現，通過選擇密文攻擊的方法可以分析 得到的雙隨機相位加密系統(tǒng)的會話密鑰【Optics Letters，2005，30 (13): 1644-1646】； 隨后，Peng等提出了一種基于HIO相位恢復的已知明文攻擊方法【Optics Letters, 2006, 31 (8) : 1044-1046】;利用該方法，只需一個明文-密文對，攻擊者即可獲得空域的會話 密鑰，從而攻破此密碼系統(tǒng)。近來，Frauel等基于雙隨機相位加密系統(tǒng)的線性性質【Optics Express,2007, 15(16) : 10253-10265】，利用求解線性方程組的方法，將滿足方程組的解 作為恢復的系統(tǒng)密鑰，從而破解此系統(tǒng)。
[0005] 分析可知，在現有公開的文獻資料中，在對光學數字圖像的加密方法的研究方面， 尚缺少密鑰加密原理復雜、密鑰安全性高的圖像加密和解密方法。
【發(fā)明內容】
[0006] 本發(fā)明的目的是為解決上述技術問題的不足，提供一種數字圖像的動態(tài)隨機密鑰 加密和解密方法，該方法在典型的雙隨機相位加密4f系統(tǒng)的基礎上，設計了一種基于光學 渦旋的動態(tài)密鑰，可實現動態(tài)圖像流的高安全性信息加密和解密傳送。
[0007] 為實現上述技術目的，所采用的技術方案是：一種數字圖像的動態(tài)隨機密鑰加密 和解密方法，包括如下步驟： A、加密步驟： (1)生成與待加密圖像大小相同的均勻分布于區(qū)間（-AP]的隨機相位矩陣 /U, _7, 0), /7=1，2, 3, ? ? ?，/7為傳送圖像的序號； (2) 以矩陣/U，_f，0)為源矩陣，生成基于4f系統(tǒng)的兩個動態(tài)隨機相位掩模板，這兩個 掩模板隨傳輸圖像的不同而動態(tài)變化，其隨機相位按以下公式生成
【主權項】
1. 一種數字圖像的動態(tài)隨機密鑰加密和解密方法，其特征在于：包括如下步驟： A、 加密步驟： (1) 生成與待加密圖像大小相同的均勻分布于區(qū)間（-A/7]的隨機相位矩陣 /U, 0)，/7=1, 2, 3,. . .，/?為傳送圖像的序號； (2) W矩陣巧x，_F，〇)為源矩陣，生成基于4f系統(tǒng)的兩個動態(tài)隨機相位掩模板，該兩個 掩模板隨傳輸圖像的不同而動態(tài)變化，其隨機相位按W下公式生成
其中，0是均值為0、標準偏差為1的局斯分布隨機矩陣， 為正態(tài)分布矩陣，其中s=D7Xn，/7=1，2, 3,. . .，n為傳送圖像的序號；D 7為固定步長；對位 于輸入平面上的動態(tài)隨機相位掩模板I，仁2/^1，77=1，2, 3, ...，n為傳送圖像的序號；對 傅里葉頻譜面上放置的動態(tài)隨機相位掩模板II，仁2/7，打=1，2, 3, ...，n為傳送圖像的序 號； (3) 在輸入平面，待加密圖像受動態(tài)隨機相位掩模板I的相位函數 巧片鴻^l)='ewbx詞;:y如調制后，傳輸信息變?yōu)榇?巧U.r, 2;;-lj， /7=1，2, 3, ...，/?為傳送圖像的序號； (4) 經變換透鏡I后，在變換透鏡I的傅里葉頻譜面上的傳輸信息變?yōu)? 巧[/ (..y.:叫X H 扣-1)]，其中，巧表示傅里葉變換. (5) 經過位于傅里葉頻譜面上的動態(tài)隨機相位掩模板II的相位函數 巧U',J如1 = 6巧[/>如-,)如I]調制后，傳輸信息變?yōu)椋? P: |x,y,2?)X'Fr[/(馬3'1=?) X4 (萬-巧'其中'戶諫示傅里葉變換； (6) 上述信息再經過變換透鏡II后，最后在輸出平面上得到加密后的圖像AU，乂 /7)，
其中，/T1表示傅里葉逆變換，示傅里葉變換； B、 解密步驟： (1) 將動態(tài)隨機相位掩模板I、II的相位函數巧I.xjJk-U P:l..Y,片2;|1進行共輛變換 后，得到動態(tài)隨機相位掩模板III、IV的相位函數巧權3',三;!-1)、巧(.\;, 1',三;!）， 其中，表示取復共輛，下同；
(2) 解密系統(tǒng)也為4f光學信息處理系統(tǒng)，將加密圖像AU，_7, /?)取復共輛后_7,打）
置于解密系統(tǒng)的輸入平面，將動態(tài)隨機相位掩模板IV的相位函數占! ;1置于解密系統(tǒng) 的頻譜平面；將動態(tài)隨機相位掩模板III的相位函數巧U\v.2n-ri置于解密系統(tǒng)的輸出 平面； (3)加密圖像的復共輛_7, n)經變換透鏡II進行傅里葉變換后，在頻譜面上與動 態(tài)隨機相位掩模板IV的相位函數巧山2:1相乘后；再經過第二個透鏡的傅里葉逆變換后 與輸出平面上的動態(tài)隨機相位掩模板III的相位函數巧U一三;2 -1)相乘后得到解密后的 圖像，其數學關系為，
其中，表示取復共輛，7^7^示傅里葉變換，/T1表示傅里葉逆變換，得到了解密后的 圖像 gU, 乂 /?)。
【專利摘要】一種數字圖像的動態(tài)隨機密鑰加密和解密方法，該方法在典型的雙隨機相位加密4f系統(tǒng)的基礎上，設計了一種基于光學渦旋的動態(tài)密鑰，可實現動態(tài)圖像流的高安全性信息加密和解密傳送。
【IPC分類】H04N1-44, H04N1-32
【公開號】CN104601856
【申請?zhí)枴緾N201510026183
【發(fā)明人】李新忠, 臺玉萍, 康大偉, 甄志強, 張利平, 尹更新
【申請人】河南科技大學
【公開日】2015年5月6日
【申請日】2015年1月20日