基于压缩全息的彩色图像加密系统及加密解密方法

摘要

本发明涉及一种基于压缩全息的彩色图像加密系统及加密解密方法，属于光学图像加密技术领域。所述系统包括：激光器，第一和第二反射镜，扩束准直系统，分束器，第一、第二、第三和第四空间光调制器，第一、第二和第三随机相位板，高速图像采集设备，计算机。首先提取彩色图像三个通道的灰度图像并将其放置在距CCD不同距离的位置上作为需要加密的物信息，三个随机相位板紧贴在三张灰度图像后用来调制含有物信息的光束，这三个光束经过合束棱镜与参考光干涉生成全息图，将三个通道灰度图同时加密在一张全息图上。最后利用TwIST算法进行解密并进行彩色图片合成。本发明可单次曝光实现彩色图像的加密，提高了加密效率和加密信息的保密程度。

说明书

技术领域

本发明涉及光学图像加密技术，具体涉及一种基于压缩全息的彩色图像加密系统及加密 解密方法。

背景技术

随着信息高速公路的建设和计算机科学与技术的发展，在追求信息快速传递的过程中保 证信息安全的重要性逐渐突出。由于光学信息处理的并行性、快速性以及能够提供多种加密 维数的优势，运用光学方法对图像进行加密一直是图像加密技术的一个重要研究方面。

自Philippe Refregier和Bahram Javidi提出利用双随机相位板对图像进行加密后，光学图像 加密技术得到广泛关注与快速发展。但是由于获得随机相位板的复共轭存在困难，并且复函 数密钥本身也不利于传输，Enrique Tajahuerce首先提出了利用全息技术进行光学图像加密， 利用全息技术的特点对图像进行加密，并且加密后的全息图为实函数可以直接用于传输。由 于彩色图像更加美观和真实，所以彩色图像加密技术也得到快速发展。Chen和Zhao在菲涅尔 全息的基础上利用波长复用实现彩色图像的加密工作。最近他们又在菲涅尔传播和数字全息 基础上提出彩色信息的编码与合成。2013年，Wang和Zhao利用相切技术实现了灰度图片与彩 色图片的非对称加密。随着David J.Brady利用压缩感知理论来解释全息图记录过程，压缩全 息成为一种新型的数字全息理论。因此，Hong Di提出基于压缩全息的多图像加密技术，待加 密图像经小波变换稀疏化后利用扫描全息将多幅图片加密在全息图中。随着光学图像加密技 术的不断发展，大量加密技术也被用于彩色图像的加密。但大多是对三个通道的图像分别进 行加密后合成一张加密图片，在解密过程中需要再将三个通道的加密图像分开后分别解密， 然后再合成彩色图像。这一问题将大大限制彩色图片的加密效率。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种基于压缩全息的彩色图像加密系统 及加密解密方法，将彩色图像的三个通道灰度图提取出来同时加密在一张全息图上，实现单 次曝光加密彩色图像的工作。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

本发明是将彩色图像的三个通道的灰度图像提取出来后，放置在距离CCD不同距离的位 置上作为需要加密的物信息，三个随机相位板紧贴在三张灰度图像后用来调制含有物信息的 光束，这三个光束经过合束棱镜与参考光干涉生成全息图，实现三个通道灰度图同时加密在 一张全息图上，从而达到单次曝光加密彩色图像的目的。全息图生成过程可以用压缩感知理 论来进行解释，则图像的解密可以看成是一个反问题的求解过程。利用TwIST算法进行图像 重建。最后将重建的三个通道灰度图合成为一幅彩色图像，完成一幅彩色图像的解密工作。

一种基于压缩全息的彩色图像加密系统，包括：激光器，第一和第二反射镜，扩束准直 系统，分束器，第一、第二、第三和第四空间光调制器，第一、第二和第三随机相位板，高 速图像采集设备，计算机。激光器发出的光经过第一反射镜反射后，依次经过扩束系统和准 直透镜后成为平行光，通过三个分束器分束后分成四束光波：其中三束光波依次经过三个空 间光调制器(分别加载彩色图像的三个通道灰度图)和三个随机相位板，经过调制的光束经 合束棱镜合束后被投射在高速图像采集设备上，成为全息记录的物光；另一束经过空间光调 制器(分别加载0、π/2、π和3π/2的相位延迟)实现相位调制，成为全息记录的参考光。最 后，物光与参考光干涉生成全息图被高速图像采集设备记录。

所述高速图像采集设备是以CCD或者CMOS为图像传感器的相机探测器。

所述第一、第二和第三空间光调制器为透射式振幅型空间光调制器。

所述第四空间光调制器为反射式相位型空间光调制器。

所述第一、第二和第三随机位相板互不相关。

利用所述图像加密系统对图像进行加密与解密的方法包括以下步骤：

步骤1，加密过程。

步骤1.1，提取彩色图像的三个通道灰度图。

步骤1.2，设置物光路：将三张灰度图分别加载在第一、第二和第三空间光调制器上。第 一、第二和第三随机相位板用来调制含有物信息的光束相位。

步骤1.3，设置参考光路：参考光路中的第四空间光调制器分别加载不同相位，分别产生 0、π/2、π和3π/2的相位延迟，高速图像采集设备记录带有不同相移的4幅全息图。

步骤1.4，利用四步相移方法获得复值全息图。

步骤2，解密过程—TwIST算法。

步骤2.1，图像初始化：令x₀为一个0向量，迭代次数t为1，迭代停止次数为N。

步骤2.2，将x₀代入目标函数得到f(x₀)，其中K为菲涅尔传 播对应的操作矩阵，λ为正则化系数，Φ(x)为正则化矩阵，这里用全变分函数。

步骤2.3，将x₀代入迭代公式x₁＝Γ_λ(x₀)＝Ψ_λ(x₀+K^T(y-Kx₀)/s)，其中s为步长，Ψ_λ(·) 为去噪函数，这里也用全变分函数。

步骤2.4，将x₁代入目标函数得到f(x₁)。

步骤2.5，比较f(x₀)和f(x₁)的大小。若f(x₁)>f(x₀),令s＝s×2，重复步骤2.3；否则 继续进行。

步骤2.6，更新迭代次数t＝t+1。

步骤2.7，将x_t和x_t-1代入迭代公式x_t+1＝(1-α)x_t-1+(α-β)x_t+βΓ_λ(x_t)，得到更新后x_t+1。

步骤2.8，将更新后x代入目标函数得到f(x_t+1)。

步骤2.9，比较f(x_t+1)和f(x_t)的大小。若f(x_t+1)>f(x_t)，令x₀＝x_t-1,返回到步骤2.3；否 则继续进行。

步骤2.10，比较t和N的大小，若t<N，则返回到步骤2.6；否则输出x为重建图像。

步骤3，彩色图片合成。

将算法重建的三个通道灰度图按照RGB顺序进行合成，形成最终的重建彩色图像。

本发明的有益效果：采用本发明所述的技术，可以在单次曝光的情况下实现彩色图像的 加密工作，大大提高了加密效率，并且在加密过程中三个通道的灰度图之间互相加密，提高 了加密信息的保密程度。

附图说明

图1为本发明所涉及的系统光路图；

图2为解密算法框图；

图3为待加密彩色图像；

图4为提取出的三个通道的灰度图；

图5为加密全息图；

图6为解密后的三个灰度图；

图7为合成的彩色图像。

图1、2中：1—激光器，2—第一反射镜，3—扩束系统，4—准直透镜，5—分束器，6— 分束器，7—分束器，8—第四空间光调制器，9—第一空间光调制器，10—第一随机相位板， 11—第二空间光调制器，12—第二随机相位板，13—第三空间光调制器，14—第三随机相位 板，15—第二反射镜，16—分束器，17—分束器，18—分束器，19—高速图像采集设备。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

基于全息术的图像加密系统如图1所示，包括：激光器1，第一反射镜2，扩束系统3， 准直透镜4，分束器5，分束器6，分束器7，第四空间光调制器8，第一空间光调制器9，第 一随机相位板10，第二空间光调制器11，第二随机相位板12，第三空间光调制器13，第三 随机相位板14，第二反射镜15，分束器16，分束器17，分束器18，高速图像采集设备19。

激光器1发出的光经过第一反射镜2反射后，依次经过扩束系统3和准直透镜4后成为 平行光，通过分束器5、6和7分束后分成四束光波：其中三束分别依次经过空间光调制器9、 11、13和随机相位板10、12、14后，经过调制后的光束经过反射镜15，分束器16、17、18， 成为全息记录的物光；另一束经过空间光调制器8(分别加载0、π/2、π和3π/2的相位延迟) 实现相位调制，成为全息记录的参考光。最后物光与参考光干涉生成全息图被高速图像采集 设备记录。

应用本发明所述系统进行加密解密的方法包括以下内容：

1.加密。

(1)设置物光路：如图1所示，在多光束干涉仪的每个物光光路上依次紧贴放置第一空 间光调制器9和第一随机相位板10，第二空间光调制器11和第二随机相位板12，第三空间 光调制器13和第三随机相位板14。为了保证加密效果，随机相位板能够覆盖住待空间光调 制器上全部信息。

(2)设置参考光路：在干涉仪的参考光光路上放置第四空间光调制器8。

(3)分别在空间光调制器9、11、13上加载从彩色图片中提取出的三个通道灰度图。 获得的三个通道灰度图如图4所示。

(4)参考光路中，在空间光调制器8上加载不同相位，产生0、π/2、π和3π/2的相位延 迟，利用高速图像采集设备9记录这4张全息图。

(5)利用四步相移方法获得加密后的复值全息图，实现单次曝光加密彩色图像的工作。

图3为一待加密彩色图像，经过加密后生成图5所示的加密图像，从图5中可以看出， 待加密明文已经变成稳定白噪声，无法从图中获得明文信息，说明该发明实现了加密工作。

2.解密—TwIST算法。

图2为加密算法框图，具体包括以下步骤：

(1)图像初始化x₀＝0，迭代次数t为1，迭代停止次数为N。

(2)将x₀代入目标函数得到f(x₀)。

(3)将x₀代入迭代公式x₁＝Γ_λ(x₀)＝Ψ_λ(x₀+K^T(y-Kx₀)/s)，s为步长。

(4)将x₁代入目标函数得到f(x₁)。

(5)比较f(x₀)和f(x₁)的大小。若f(x₁)>f(x₀),令s＝s×2，重复步骤2.3,否则继续 进行。

(6)更新迭代次数t＝t+1。

(7)将x_t和x_t-1代入迭代公式x_t+1＝(1-α)x_t-1+(α-β)x_t+βΓ_λ(x_t)，得到更新后x_t+1。

(8)将更新后x代入目标函数得到f(x_t+1)。

(9)比较f(x_t+1)和f(x_t)的大小。若f(x_t+1)>f(x_t),令x₀＝x_t-1,返回到步骤2.3，否则继 续进行。

(10)比较t和N的大小，若t<N，则返回到步骤2.6，否则输出x为重建图像。

3.彩色图片合成

将算法重建的三个通道灰度图按照RGB顺序进行合成，形成最终的重建彩色图像。如图 7所示。利用均方误差(MSE)评价函数来评价图6的恢复质量，计算得到MSE为6.193× 10^-5，因此，重建图像质量非常好，进一步验证了该方法的可行性。