基于稀疏双随机相位加密和qr码的认证方法
【专利说明】基于稀疏双随机相位加密和QR码的认证方法 【技术领域】
[0001] 本发明涉及信息安全技术领域，特别是图像的安全认证方法，适用于图像的加密 和认证。 【【背景技术】】
[0002] 随着信息技术的不断发展，信息安全问题也日显突出。如何确保信息系统的安全 已成为全社会关注的问题，它也成为信息科学的热点课题。基于光学理论和方法的信息加 密技术是近些年逐步发展起来的新一代的信息安全处理技术。1995年，美国Connecticut 大学的学者P. Refregier和B. Javidi提出了一种基于"双随机相位编码"的光学图像加密 技术，它的提出引起了世界各国光学信息安全领域科研人员的极大关注。利用双随机相位 加密技术对图像进行光学加密后，通过光子成像或者计算机数字技术对光学加密结果进行 稀疏化处理，生成的稀疏加密图像可用于信息的安全认证。这种基于稀疏双随机相位加密 的认证方法结合了光学加密和图像认证两种方式，安全性极高。
[0003] QR码的"QR"是Quick Response的缩写，即快速反应的意思。QR码能够对文字、 URL地址和其他类型的数据进行加密。它具有信息容量大、可靠性高、保密防伪性强以及快 速读取等优点。相位恢复算法则是一种通过可测量的光场强度确定光场相位分布的方法， 它已被广泛应用在电子显微镜、波前再现、面形检测等领域。QR码和相位恢复算法目前都已 经成功地运用于图像加密领域，它们在基于稀疏双随机相位加密的认证方法中的应用将降 低光学加密系统的复杂性并提升认证过程的安全性。 【
【发明内容】
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[0004] 本发明要解决的技术问题是提供基于稀疏双随机相位加密和QR码的认证方法。
[0005] 解决上述技术问题采用如下技术措施：基于稀疏双随机相位加密和QR码的认证 方法按如下步骤进行：
[0006] (1)加密：
[0007] (i)Q(x，y)代表光学加密时作为加密密钥和认证时作为认证密钥的QR码，f(x， y)代表待加密并用于认证的原始图像，利用菲涅耳域双随机相位加密系统对f(x，y)进行 加密，，y')是双随机相位加密系统中的两块随机相位板，可分别表示 成 exp[2Jia(x，y)]和 exp[2iib(x'，y')]，其中 a(x，y)、b(x'，y')代表两个统计无 关且在区间[0，1]上具有均匀概率分布的随机矩阵，（x，y)和（x'，y')分别表示输入平 面和菲涅耳衍射平面的坐标，加密时图像f(x，y)和加密密钥Q(x，y)相乘，它们的乘积与 ri(x，y)相乘后作一次波长为A，距离为屯的菲涅耳变换，得到的结果与1*2(?，y')相乘 后再作一次波长为X，距离为d 2的菲涅耳变换，对变换后的结果取振幅后得到密文C(x"， y")，即：
[0008]
【主权项】
1. 一种基于稀疏双随机相位加密和QR码的认证方法，其特征是按如下步骤进行： (1)加密： (i)Q(x，y)代表光学加密时作为加密密钥和认证时作为认证密钥的QR码，f(x，y)代 表待加密并用于认证的原始图像，利用菲涅耳域双随机相位加密系统对f(x，y)进行加 密，ri(x，y)*r2(x'，y')是双随机相位加密系统中的两块随机相位板，可分别表示成 6叉口[2 313(叉，7)]和6叉口[2 3113(叉'，太）]，其中&(叉，7)、13(叉'，太）代表两个统计无关且 在区间[〇，1]上具有均匀概率分布的随机矩阵，（X，y)和（X'，y')分别表示输入平面和 菲涅耳衍射平面的坐标，加密时图像f(x，y)和加密密钥Q(x，y)相乘，它们的乘积与ri(x， y)相乘后作一次波长为A，距离为屯的菲涅耳变换，得到的结果与1*2(1'，y')相乘后再 作一次波长为A，距离为d2的菲涅耳变换，对变换后的结果取振幅后得到密文C(x〃，y〃）， 即：
其中PT{}代表取振幅操作，即除去复振幅的相位信息，只保留振幅部分的信息，FrT{} 代表菲涅耳变换，（x"，y")表示菲涅耳域双随机相位加密系统输出平面的坐标，以某一函数 UQ(x，y)为例，在波长为X的平面光波照射下，传播方向上距离为d处的菲涅耳衍射分布数 学上表不为：
式（2)的逆变换表示为： U〇(x,y) =IFrTd>A {U(xr,y')} (3) 其中IFrT{}代表逆菲涅耳变换； (ii) 利用相位恢复算法计算菲涅耳域双随机相位加密系统输出面上相位的近似分布， 设总的迭代次数为某一正整数K，在第k次（k<K)迭代运算过程中，系统输入面上的图像 为fk(x，y)，则其所对应的输出面上的加密结果为：
其中，当k= 1时，初始输入信号fi(X，y)是一元素值均为1的矩阵，由式（4)得到的 加密结果Ck(x"，y")的相位信息可表示为： qk(x"，y") =PR{Ck(x"，y")} (5) 其中PR{}表示相位保留操作，即除去复振幅的振幅信息，只保留相位部分的信息，接 着，式（5)得到的qk(x"，y")与密文C(x"，y")相乘，其乘积作为双随机相位加密系统解密 过程中的输入信号，解密结果的振幅分布具体表示为：
其中表示复共轭；由4>k(x，y)计算得到第k+1次迭代运算中输入面上的图像，即：fk+1(x，y) =PT{<i)k(x，y)} (7) 随后进入下轮迭代过程，即第k+1次迭代过程； (iii)重复迭代运算过程直至迭代次数大于K时，迭代终止，由式（5)得到qK(X〃，y〃）， 接着对相位qK(x〃，y〃）进行随机抽取操作，生成稀疏双随机相位加密图像qsp(x〃，y〃），即： qsp(x"，y") =SP{qK(x"，y")} (8) 其中SP{}表示随机抽取元素操作，即通过保留qK(x"，y")中被抽取的元素的值，而未 被抽取的元素值则以零值代替，从而生成稀疏双随机相位加密图像qsp(x〃，y〃）。 (2)解密与认证： (i) 稀疏双随机相位加密图像qsp(x〃，y〃）输入解密与认证系统后经过一次波长为入， 距离为(12的逆菲涅耳变换，变换后得到的结果与相位< 相乘后再经过一次波长为 入，距离为屯的逆菲涅耳变换，对变换后得到的结果进行取振幅操作得到最终的解密结果， 即：
从式（9)可以看出，解密过程需要的密钥包括波长A，衍射距离屯和心，以及相位 (ii) 将原图f(x，y)与Q(x，y)的乘积与上一步骤中得到的fsp(x，y)进行对比认证，认 证采用的非线性相关方法的计算表达式包括： c(y,v) =FT[fsp (x,y) ]X{FT[f(x,y)Q(x,y) ]} * (10) NC(x，y) = |IFT[c(y，v) |c(y，v)H|2 (11) 其中（y，v)表示傅立叶频域的坐标，| |表示取模，FT□和IFT□分别表示傅立叶变 换和逆傅立叶变换，《表示非线性的强度，当认证成功时，函数NC(x，y)的分布图将出现尖 锐的相关峰，从式（10)可以看出，Q(x，y)是认证所需的密钥。
【专利摘要】一种基于稀疏双随机相位加密和QR码的认证方法。按如下两大步骤进行：是加密：利用QR码和两块随机相位板将待加密图像加密成振幅图像，通过相位恢复算法得到输出面相位的近似分布，最终通过随机抽取元素的方法生成稀疏双随机相位加密图像；二是解密与认证：首先利用解密密钥对稀疏双随机相位加密图像进行解密，解密后得到的图像与原始图像和QR码的乘积进行对比认证。本发明提出的安全认证方法结合了光学加密和QR码认证两种方式，因此具有很高的安全性。
【IPC分类】G06F21-62, H04L9-32
【公开号】CN104573561
【申请号】CN201510050296
【发明人】汪小刚, 周国泉, 戴朝卿
【申请人】浙江农林大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月30日