基于压缩感知的光学图像加密技术研究

提出了一种基于压缩感知的光学数字图像加密方案,利用压缩感知理论及特点,借助双随机相位编码技术,实现了对数字图像的多重加密。通过压缩感知使用随机测量矩阵作为密钥对原始图像加密,然后对加密图像利用Arnold变换置乱二次加密,并通过4f光学系统进行双随机相位编码再次对图像加密,从而实现了对图像的多次加密。考虑实际应用中传输过程的安全性,将加密图像融合于载体图像。在接收端,对加密图像进行解密重构。实验结果表明,该加密方案能够有效降低采样数据量,具有高稳健性,对密钥响应敏感并可以抵御较强的攻击。     

基于双随机相位编码的非线性双图像加密方法

提出了一种基于双随机相位编码技术的非线性双图像加密方法,并分析了其安全性。在该方法中,加密过程和解密过程以及加密密钥和解密密钥均不相同。加密过程具有非线性,解密过程则是线性的。将两幅待加密图像复合为复振幅图像,并利用双随机相位编码技术和切相傅里叶变换进行加密,加密过程中生成两个解密密钥,解密过程则在经典的基于4f系统的双随机相位编码系统中完成。相比经典的双随机相位加密技术和基于切相傅里叶变换的单图像加密技术,该加密方法的安全性更高,它能够抵御最近提出的基于两步振幅相位恢复算法的特定攻击。理论分析和仿真实验结果都证明了此加密方法的可行性和安全性。     

基于相位恢复算法的单强度记录光学加密系统

在传统的双随机相位光学加密系统的基础上,提出一种新的单强度记录光学加密技术。在加密时,将原始图像置于4-f系统的输入平面上进行双随机相位光学加密,利用CCD等感光器件记录输出平面上的光强分布作为密文,该光学加密过程只需一次曝光,在解密时,利用相位恢复算法进行迭代计算就可以由密文恢复原始图像。由于解密过程采用数字方式,因此可以在解密过程中引入各种数字图像处理技术来抑制散斑噪声,进一步改善解密图像质量。通过一系列仿真实验,证明该光学加密系统可以实现对二值图像和灰度图像的光学加密,并且能够很好地抵御已知明文攻击、选择明文攻击等方法的攻击。理论分析和计算机仿真表明,该光学加密技术系统结构简单,实现方便,并且不易受到各种攻击,安全性较高。     

基于光场成像原理和混沌系统的多图像加密方法

针对现有光学加密方法对加密系统要求高、受器件性能限制、加密效率低、解密图像易失真的局限性,提出一种基于光场成像原理和混沌系统的多图像加密方法.该方法利用混沌系统随机生成光场成像系统的个数与系统参数,并在计算机中构造出相应的多个光场成像系统;将多幅待加密图像拼接后置于光场成像系统中依次计算得到光场图像,通过提取光场图像的多幅子孔径图像并进行拼接,实现多幅图像的快速加密.解密过程为加密过程的逆过程.该方法将计算成像的方式引入加密过程,使加密不受硬件条件的限制,易于实现.实验结果表明,提出的算法密钥复杂度低,易于传输;对噪声有较好的鲁棒性,密钥空间大,密钥敏感度高,安全性好;加密效率高,解密图像无损失.在需要大量图像进行安全传输的领域具有广泛的应用前景.     

基于级联相位恢复算法的光学图像加密

在虚拟光学数据加密理论模型的基础上,提出了一种光学图像加密的可视化密码构造算法。该加密算法基于自由空间传播的光学系统,利用级联迭代角谱相位恢复算法把待加密图像分别编码到两块相位模板之中,从而实现图像的加密。该加密技术不但可通过同时调整两块相位模板的相位分布的搜索策略来扩大搜索空间,提高安全强度,而且扩大了系统密钥空间,使系统获得更高的安全性,且能通过简单的数值运算或光学实验装置得到质量非常高的解密图像,还从理论上分析了该算法的时间复杂度。计算机模拟结果表明,该加密算法的收敛速度快,能迅速找到非常好的近似解,解密图像质量高且系统安全性良好。     

联合变换相关器光学多图像并行加密系统稳健性分析与优化

光学加密系统的稳健性直接决定其密文在存储和传输过程中的抗干扰能力,并且通常从密文抗裁剪和抗噪声干扰两方面来衡量。针对联合变换相关器光学并行加密系统的多图并行加密和任意图像再现的功能特点,仿真并分析其稳健性。结果表明,当密文面积受到50%裁剪时,各通道图像解密效果明显降低,部分解密图像与原始图像的相关系数(CC)低至0.2左右。分析其原因并对联合功率谱分布进行优化。仿真结果表明,加密系统不仅稳健性得到显著提升(当密文面积受到60%裁剪时,各通道CC值均大于0.49),且能保持优化前加密系统在抗噪声干扰方面的优势。最后,搭建光学实验系统,验证了该加密系统稳健性提升方法的有效性。     

一种基于迭代振幅-相位恢复算法和非线性双随机相位编码的图像加密方法

提出了一种基于迭代振幅-相位恢复算法和非线性双随机相位编码的图像加密方法。该方法利用两个公开密钥和一幅"假图像"在非线性双随机相位加密系统中生成密文,接着利用迭代非线性双随机相位编码生成两个私有密钥。待加密图像和密文作为迭代加密方法中的两个限定值。解密过程则可以在经典的基于4f系统的线性的光学双随机相位编码系统中完成。该加密方法具有迭代收敛速度快、安全性高的优点。迭代该图像加密方法能够抵御最近提出的基于改进的振幅-相位恢复算法的攻击。理论分析和仿真实验都证明了此方法的有效性和可靠性。     

可变光阑光学衍射加密系统

为了克服双随机相位编码系统的局限性,提出基于光学衍射成像原理的图像加密方法.该方法在光学衍射加密系统中加入可变光阑,形成透光面积不同的振幅板,对明文进行加密,得出多个密文.解密时,通过相位恢复算法,从多幅衍射强度图像中恢复原始明文.仿真表明,由于只需要记录光波的衍射强度,在密文记录过程无需使用干涉装置,通过可变光阑可以方便地调节振幅板的透光面积,无需改变光学结构或者移动光学器件,因此,大大降低了加密过程实施的难度.     

非线性光学图像加密

结合传统的双随机相位编码和非线性光学技术的优点,提出一种基于光折变晶体自相位调制原理的非线性光学图像加密技术,并分析了其稳健性和安全性。该技术通过两个统计独立的随机相位板和两次非线性传播把明文图像加密成平稳的复随机白噪声。解密是加密的逆过程,既可以用光学的方法实现,也可以用非线性数字全息的方法实现。数值模拟结果证明,该加密系统在受加性噪声和乘性噪声影响的情况下,具有良好的稳健性,与传统的线性加密技术相比,该技术可以有效抵御选择明文和已知明文攻击。     

基于计算全息和θ调制的彩色图像加密方法

提出了一种基于计算全息和θ调制的彩色图像光学加密新方法.该方法利用彩色三基色原理和计算全息编码技术,首先将彩色图像的红、绿、蓝三基色分量进行随机相位调制和菲涅耳衍射变换,然后经过θ调制后进行图像叠加并编码为计算全息图,即加密过程是将一幅彩色图像加密为一幅实值的二元计算全息图,得到单幅密文.解密为加密的逆过程,首先将加密的计算全息图置于空间滤波和菲涅耳衍射系统中,经过相位密钥解调和基于滤光片的滤波器滤波,最后通过正确距离的菲涅耳衍射完成解密,得到彩色明文图像.计算机模拟结果证明了该方法的有效性和可行性.     

基于gyrator变换和矢量分解的非对称图像加密方法

本文结合矢量分解和gyrator变换的数学实现得到了一种新的非对称图像加密算法,它将待加密图像先通过矢量分解加密到两块纯相位板中,然后利用从gyrator变换的数学实现中推导出来的加密算法加密其中一块相位板,获得最终的实值密文.另一块相位板作为解密密钥.算法的解密密钥不同于加密密钥,实现了非对称加密,加密过程中产生的两个私钥增大了算法的安全性.数值模拟结果验证了该算法的可行性和有效性.     

Improved algorithm for image encryption based on stochastic geometric moiré and its application

A technique based on optical operations on moiré patterns for image encryption and decryption is developed. In this method, an image is encrypted by a stochastic geometric moiré pattern deformed according to the image reflectance map. The decryption is performed using pixel correlation algorithm in the encrypted image and the stochastic geometrical moiré pattern. The proposed technique has a number of advantages over existing encryption techniques based on moiré gratings. No original moiré grating can be reconstructed only from the encrypted image. Stochastic moiré grating can be deformed in any direction what is an important factor of encryption security. Finally, the quality of the decrypted image is much better compared to decryption methods based on the superposition of the regular and deformed moiré gratings. The proposed technique has a great potential, because the process is performed using computational algorithms based on optical operations and optical components are avoided.     

Cascaded Fresnel holographic image encryption scheme based on a constrained optimization algorithm and Henon map

We propose an image encryption scheme using chaotic phase masks and cascaded Fresnel transform holography based on a constrained optimization algorithm. In the proposed encryption scheme, the chaotic phase masks are generated by Henon map, and the initial conditions and parameters of Henon map serve as the main secret keys during the encryption and decryption process. With the help of multiple chaotic phase masks, the original image can be encrypted into the form of a hologram. The constrained optimization algorithm makes it possible to retrieve the original image from only single frame hologram. The use of chaotic phase masks makes the key management and transmission become very convenient. In addition, the geometric parameters of optical system serve as the additional keys, which can improve the security level of the proposed scheme. Comprehensive security analysis performed on the proposed encryption scheme demonstrates that the scheme has high resistance against various potential attacks. Moreover, the proposed encryption scheme can be used to encrypt video information. And simulations performed on a video in AVI format have also verified the feasibility of the scheme for video encryption.     

Single-random-phase holographic encryption of images

In this paper, a method is proposed for encrypting an optical image onto a phase-only hologram, utilizing a single random phase mask as the private encryption key. The encryption process can be divided into 3 stages. First the source image to be encrypted is scaled in size, and pasted onto an arbitrary position in a larger global image. The remaining areas of the global image that are not occupied by the source image could be filled with randomly generated contents. As such, the global image as a whole is very different from the source image, but at the same time the visual quality of the source image is preserved. Second, a digital Fresnel hologram is generated from the new image, and converted into a phase-only hologram based on bi-directional error diffusion. In the final stage, a fixed random phase mask is added to the phase-only hologram as the private encryption key. In the decryption process, the global image together with the source image it contained, can be reconstructed from the phase-only hologram if it is overlaid with the correct decryption key. The proposed method is highly resistant to different forms of Plain-Text-Attacks, which are commonly used to deduce the encryption key in existing holographic encryption process. In addition, both the encryption and the decryption processes are simple and easy to implement.     

基于QR码和算术编码的图像加密无损恢复方法

将QR码作为数据容器引入光学图像加密系统,可以移除光学系统在解密图像时产生的散斑噪声,使得解密图像无损恢复,是一种非常理想和实用的去除噪声的方法。但由于QR码的存储容量有限,只能存储一些字母和简短的句子或者一幅尺寸很小（32×32像素）的灰度图像,严重制约了该技术的进一步应用。为了将一幅更大的灰度图像存入到QR码中,提出一种基于算术编码的图像无损压缩方法。首先将灰度图像以文件的形式读取为二进制数据,然后转换成十进制数据并利用算术编码的方法压缩为二进制数据,最后再转换成十进制数据。实验结果表明,此方法具有较高的压缩效率,能够成功将一幅64×64像素的具有丰富灰度值的图像存入到一张31版QR码中进行加密和解密。     

双随机相位图像加密的实值编码研究

提出了一种基于双随机相位的图像实值编码方法,该方法可应用于光学图像加密.要编码的纯相位图像分别在空间域和频域加入随机相位掩膜,其中在频域将编码范围扩大4倍,经过光学系统的变换,将生成的图像取实部作为编码图像.实值编码的图像利用与编码过程类似的方法进行解码,可以准确地重建原图像.该编译码方法简单,编码图像是一个近似随机噪声的实值图像,便于数字图像的传输与输出.     

基于Q-plate的双图像非对称偏振加密

基于Q-plate提出了一种对两幅图像做非对称偏振加密的新方法.在该方法中,首先,将待加密的两幅图像通过干涉分解成两块纯相位板;其次,将这两块纯相位板分别编码到偏振光的两个正交分量中;最后,利用Q-plate和像素化的偏振片改变这束光的偏振分布,达到对图像的加密效果,用电荷耦合器件接收输出面的强度分布图作为最终的密文.其中一块纯相位板作为解密密钥.算法的解密密钥不同于加密密钥,由此实现了非对称加密.由于Q-plate是电调控的,它的每个像素点的光轴各不相同,所以能够根据描述变面结构空间旋转率的常数q来改变每个像素的偏振态.加密过程中用Q-plate的q值和像素化的偏振片的偏振角度作为加密密钥,这两个加密密钥具有很高的敏感性,极大地提高了算法的安全性.数值模拟结果验证了该方法的可行性和有效性.     

基于多模光纤散斑的压缩感知在光学图像加密中的应用

为了安全高效地对图像信息进行传输,提出了一种新颖的基于多模光纤散斑的压缩感知结合双随机相位编码的光学图像加密方法.多模光纤产生的光斑作为压缩感知的测量矩阵,完成对图像的第一次压缩和加密,并且充当第一级密钥;再利用双随机相位编码技术进行第二次加密,实现对图像的完整加密过程,随机相位掩模板充当第二级密钥,解密过程与此相反.通过将光斑测量矩阵与用于压缩感知的常用随机测量矩阵进行对比研究后发现,使用光斑测量矩阵解密后的图像质量更好,而且相比于其他随机测量矩阵在硬件实现上的复杂性与高成本,光斑矩阵可以很容易地通过简单的光学器件来获得,且可以利用工作波长的改变来进行变换,也即第一级密钥非常容易变换.同时经研究表明,本文方法可以有效抵抗统计分析、噪声干扰和剪切等攻击,且对密钥敏感性高,具有良好的鲁棒性和安全性.因此,本文提出的这种基于光斑矩阵的压缩感知与双随机相位编码结合起来的加密方法,可以获得良好的加密效果与极大的密钥空间,并且易于在光学领域整合.