一种安全的压缩全息成像系统的制作方法

本实用新型涉及图像安全成像领域，尤其涉及一种具有安全的压缩全息成像系统。

背景技术：

大数据时代下，信息变的愈加透明，信息和数据的安全问题也变得越来越重要。图像安全主要包括图像加密和图像水印等。图像加密是将图像数据本身进行编码，使原始图像像素置乱成为秘密数据生成加密图像，其目的并不是只停留在生成一幅视觉上杂乱的图像，而是将其作为有效的辅助措施，应用到数字水印技术的预处理和后处理过程中，以达到图像安全传输的目的。图像水印是将加密图像信息嵌入到一幅宿主图像中，在保持宿主图像原始视觉信息大致不变的情况下，达到水印加密图像数据的目的，它既能保证信息在传输和存储过程中的安全，又能避免引起窃密者的注意，从而实现安全成像的要求。

不同于传统记录物体光强分布的成像方法，全息成像技术记录的是物体的复振幅波，即能同时记录物体的振幅与相位信息，再现物体的波前。因此，在相位物体和3D场景成像方面，全息技术有着明显的优势。而压缩感知技术为成像领域的研究提供了一个新的方向,它是用以远低于奈奎斯特采样速率采集信号的非自适应线性投影值，通过求解一个优化问题，精确地重构出原始信号,从而大大降低系统采集的数据量。因此，该理论为全息图在纯光域中的直接压缩采样提供了可能。而光学加密方法也有着高速操作和多维能力等特点。因此基于压缩传感技术的许多新的应用已经在全息领域内兴起。利用信号的稀疏性，加密和水印的对象可以被压缩为更少的数据。

另外，国内外很多小组均采用了电荷耦合器件(以下简称“CCD”)等面阵成像方式，而后在数字域的电信号中实现安全图像的压缩，虽然能很好地压缩数据量；但是由于CCD需要通过光电二极管感应光线，而光电二极管对光线感应的局限性，使得国内外的很多成像方式均不能应用于纯光的系统中，比如在全光网上的应用；也不能充分发挥光学系统高速率和高并行性等特点，严重制约了其应用；更不能在光学成像系统中同时完成光学图像感知、光学图像安全处理和光学图像压缩等功能。

技术实现要素：

本实用新型在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种安全的压缩全息成像系统，其可同时实现图像加密、图像水印和图像压缩，且可保证信息在传输和存储过程中的安全，避免原始物体图像遭到非法窃取或篡改。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：一种安全的压缩全息成像系统，包括光源生成及分束装置、加密装置、调相装置、图像生成及水印装置、图像采集装置和图像重构装置；

所述光源生成及分束装置，用于将光源发出的一束光分解为两束光，其中一束为照射在物体图像的物光，另一束为照射在宿主图像的参考光；

所述加密装置，用于将所述物光反射照向物体图像，并对所述物光信息进行加密，获得携带物体图像的加密物光光束；

所述调相装置，用于将所述参考光调相后照射在宿主图像，获得携带宿主图像的参考光光束；

所述图像生成及水印装置，用于同时接收携带物体图像的加密物光光束和携带宿主图像的参考光光束，并生成加密与水印叠加的干涉全息图；

所述图像采集装置，用于采集所述干涉全息图数据，并传送至所述图像重构装置；

所述图像重构装置，用于根据干涉全息图数据重构出物体图像。

相比于现有技术，本实用新型利用三步相移法记录干涉全息图，在全光域环境中同时实现图像加密、图像水印和图像压缩，保密性更强，保证了信息在传输和存储过程中的安全，避免了原始物体图像遭到非法窃取或篡改，实现了安全压缩成像的要求。

进一步地，所述加密装置包括反射镜、第一随机相位板和第二随机相位板；沿着物光光路路径，在所述光源生成及分束装置后且在物体图像前设置所述反射镜，所述反射镜用于将所述物光进行反射后照向物体图像；在物体图像后方设置所述第一随机相位板；在所述第一随机相位板后方设置与之平行的第二随机相位板；所述物光透过所述物体图像后，依次通过所述第一随机相位板和第二随机相位板，获得携带物体图像的加密物光光束；该加密物光光束再照射到所述图像生成及水印装置；

根据菲涅尔衍射公式，所述加密物光光束所表示的加密物体图像用复振幅分布表示为：

其中，K₁表示物光通路的光振幅；O(x₀,y₀)为物光在第一随机相位板处的复振幅分布； exp[i2π·p(x₀,y₀)]和exp[i2π·q(x₁,y₁)]分别为第一随机相位板和第二随机相位板的复振幅透过率； p(x₀,y₀)和q(x₁，y₁)均为分布在[0,1]区间上的统计独立的白噪声；Frt_Z表示衍射距离为Z的菲涅尔变换，第一随机相位板和第二随机相位板之间的距离为Z₁,第二随机相位板和数字微镜器件之间的距离为Z₂。

进一步地，所述调相装置包括压电转换器和第二分束器，所述压电转换器将所述参考光分三次调相后，生成相位分别为0,π的干涉光源；所述第二分束器将调相后的参考光照射宿主图像，进而获得携带宿主图像的参考光光束；

所述参考光光束所表示的宿主图像复振幅分布可以表示为：

进一步地，所述图像生成及水印装置包括第三分束器；所述第三分束器同时接收携带宿主图像的参考光光束和携带物体图像的加密物光光束，以形成同轴的干涉光，并将这两种光束叠加生成干涉全息图，该干涉全息图携带了加密与水印后的物体图像信息；

所述加密与水印叠加的干涉全息图的光强值表示为

进一步地，所述图像采集装置包括数字微镜器件、会聚透镜和单光子探测器；所述数字微镜器件对所述图像生成及水印装置生成的干涉全息图数据进行压缩和采样后，通过所述会聚透镜汇聚于一点，之后通过所述单光子探测器收集；

所述单光子探测器的高灵敏度的光电二极管的输出电压表示为：

其中表示所述数字微镜器件平面上的m维伪随机测量矩阵；

重复这个过程M次，可以得到的测量值Y为：

Y＝[y₁,y₂,y₃]＝Ψ[I_H1,I_H2,I_H3],

其中，Ψ∈R^M×N是所述数字微镜器件平面获得的测量矩阵，Y∈R^M×3是测量值，y_k∈R^M×1，I_Hk∈R^N×1。

进一步地，所述图像重构装置包括模数转换模块、图像传输模块和图像重构模块；所述模数转换模块，用于将所述图像采集装置采集的模拟干涉全息图数据转换为数字干涉全息图数据；所述图像传输模块，用于将所述数字干涉全息图数据传送到所述图像重构模块；所述图像重构模块，用于根据图像传输装置传送的数字干涉全息图数据，利用两步迭代收缩算法、菲涅尔反变换算法和宿主图像的复振幅信息重构出原始的物体图像；

利用压缩感知算法重建数字微镜器件上的叠加的干涉的光强度表达式为：

其中，μ是常量，是一个最小二乘项，当与相关矢量量化值Y_k一致时它的值最小，是信号的全变分表示,具体为如下公式：

该公式中的下标i，j表示所有成对的相邻像素点，是离散梯度的l₁范数。

所述数字微镜器件上的加密和水印后的物体图像的相位信息φ(ξ,η)和振幅信息A(ξ,η)如下：

其中，宿主图像的衍射分布φ_h，A_h利用马赫-增德尔干涉仪下的三步相移法提前获得；

通过菲涅尔反变换算法重构出所述物体图像，该过程表示为：

其中，IFrt_Z代表衍射距离为Z的菲涅尔反变换。

相比于现有技术，本实用新型利用三步相移法记录干涉全息图，在全光域环境中同时实现图像加密、图像水印和图像压缩，保密性更强，保证了信息在传输和存储过程中的安全，避免了原始物体图像遭到非法窃取或篡改，实现了安全压缩成像的要求。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本实用新型。

附图说明

图1是本实用新型实施例中安全的压缩全息成像系统的原理框图；

图2是本实用新型实施例中安全的压缩全息成像系统的结构示意图；

图3是本实用新型实施例中安全的压缩全息成像系统的实验仿真结果图。

具体实施方式

请同时参阅图1和图2，图1是本实用新型实施例中安全的压缩全息成像系统的原理框图；图2是本实用新型实施例中安全的压缩全息成像系统的结构示意图。该安全的压缩全息成像系统包括光源生成及分束装置11、加密装置12、调相装置13、图像生成及水印装置14、图像采集装置15和图像重构装置16。

所述光源生成及分束装置11，用于将光源发出的一束光分解为两束光，其中一束为照射在物体图像17的物光，另一束为照射在宿主图像18的参考光。所述加密装置12，用于将所述物光反射照向物体图像17，并对所述物光进行加密，获得携带物体图像17的加密物光光束。所述调相装置13，用于将所述参考光调相后照射在宿主图像18，获得携带宿主图像18 的参考光光束。所述图像生成及水印装置14，用于同时接收携带物体图像17的加密物光光束和携带宿主图像18的参考光光束，并生成加密与水印叠加的干涉全息图。所述图像采集装置15，用于采集所述干涉全息图数据，并传送至所述图像重构装置16。所述图像重构装置 16，用于根据干涉全息图数据重构出物体图像17。

所述光源生成及分束装置11包括激光器111、扩束器112和第一分束器113。所述激光器111发出的一束线性偏振激光经过所述扩束器112扩束和准直后，照向所述第一分束器113。所述第一分束器113将该束激光分为两束光，其中一束为照射在物体图像17的物光；另一束为照射在宿主图像18的参考光。

所述加密装置12包括反射镜121、第一随机相位板122和第二随机相位板123。沿着物光光路路径，在所述第一分束器113后且在物体图像17前设置所述反射镜121，所述反射镜 121用于将所述物光进行反射后照向物体图像17。在物体图像17后方设置所述第一随机相位板122；在所述第一随机相位板122后方设置与之平行的第二随机相位板123。所述物光透过所述物体图像17后，依次通过所述第一随机相位板122和第二随机相位板123，获得携带物体图像17的加密物光光束；该加密物光光束再照射到所述图像生成及水印装置14。所述物光通过反射镜121、物体图像17、第一随机相位板122和第二随机相位板123后，利用双随机相位编码技术即可获得物体图像17像素置乱后的加密图像。

具体的，假设所述物光照射在物体图像17上的透过率为O(x₀,y₀)，则经过第一随机相位板122和第二随机相位板123获得的加密物光光束，其所表示的加密物体图像用复振幅的分布可以表示为：

上述表达式描述了物体图像17加密后生成的加密图像的信息。其中,K₁表示物光通路的光振幅；exp[i2π·p(x₀,y₀)]和exp[i2π·q(x₁,y₁)]分别为第一随机相位板122和第二随机相位板123 的复振幅透过率；p(x₀,y₀)和q(x₁，y₁)均为分布在[0,1]区间上的统计独立的白噪声；Frt_Z表示衍射距离为Z的菲涅尔变换，第一随机相位板122和第二随机相位板123之间的距离为Z₁, 第二随机相位板123和图像采集装置15之间的距离为Z₂。

所述调相装置13包括压电转换器131和第二分束器132，所述压电转换器131将所述参考光分三次调相后，生成相位分别为0,π的干涉光源；所述第二分束器132将调相后的参考光照射宿主图像18，进而获得携带宿主图像18的参考光光束。

经过调相的所述参考光光束所表示的宿主图像18复振幅分布可以表示为：

上述表达式分别描述了步进相移φ_R用0，π/2,π相移的三幅宿主图像18的信息。

所述图像生成及水印装置14包括第三分束器141。所述第三分束器141同时接收携带宿主图像18的参考光光束和携带物体图像17的加密物光光束，以形成同轴的干涉光，并将这两种光束叠加生成干涉全息图，该干涉全息图携带了加密与水印后的物体图像信息。本实施例中，该干涉全息图根据加密物光光束和作为载体的参考光光束的光强及相位叠加生成。

所述图像采集装置15包括数字微镜器件151、会聚透镜152和单光子探测器153。所述数字微镜器件151对所述图像生成及水印装置14生成的干涉全息图数据进行压缩和采样后，通过所述会聚透镜152汇聚于一点，之后通过所述单光子探测器153收集。

所述数字微镜器件151实际上是一个空间光调制器，它相当于一个随机测量矩阵，根据压缩感知中的受限等距性，数字微镜器件151的微小镜片处于一个特定的伪随机状态。由随机数字发生器来控制每个微镜片的方向，使它们可以依水平做+12°或-12°这两个方向偏转；其中，-12°的偏转对应图像没有被反射到单光子探测器153上，在测量矩阵中表现为0； +12°方向的偏转则对应于图像被反射到单光子探测器153上，在测量矩阵中表现为1；计算这些测量值作为输出电压。

具体的，在数字微镜器件151平面上叠加的三幅干涉全息图的光强值可以表示为：

单光子探测器153的高灵敏度的光电二极管的输出电压表示为：

其中，表示数字微镜器件151平面上的m维伪随机测量矩阵。

重复这个过程M次，得到的测量值Y为：Y＝[y₁,y₂,y₃]＝Ψ[I_H1,I_H2,I_H3],

其中，Ψ∈R^M×N是数字微镜器件平面获得的测量矩阵， Y∈R^M×3是测量值，y_k∈R^M×1，I_Hk∈R^N×1。

所述图像重构装置16包括模数转换模块161、图像传输模块162和图像重构模块163。所述模数转换模块161，用于将所述图像采集装置15采集的模拟干涉全息图数据转换为数字干涉全息图数据。所述图像传输模块162，用于将所述数字干涉全息图数据传送到所述图像重构模块163。所述图像重构模块163，用于根据图像传输装置传送的数字干涉全息图数据重构出物体图像17。

进一步地，所述图像重构模块163通过优化算法重构出数字微镜器件151上的三幅干涉全息图，进而重构出物体图像17。

具体地，先利用两步迭代收缩算法(TwIST)通过解决以下的最优化问题来重建干涉光强度：

其中，μ是常量，是一个最小二乘项，当与相关矢量量化值Y_k一致时它的值最小，是信号的全变分表示；该公式中的下标i，j 表示所有成对的相邻像素点，是离散梯度的l₁范数。至此，算法已经重构出在数字微镜器件151上的三幅干涉全息图。

利用得到的三幅全息图第一随机相位板122和第二随机相位板123间的距离 Z₁,第二随机相位板123和数字微镜器件151间的距离Z₂、第一随机相位板122和第二随机相位板123的复振幅透过率来恢复原始物体图像17。

接着，计算出加密和水印后的物体图像的相位信息φ(ξ,η)和振幅信息A(ξ,η)如下：

其中，宿主图像的衍射分布φ_h，A_h是利用马赫-增德尔干涉仪下的三步相移法提前获得。

最后，通过菲涅尔反变换算法重构出所述物体图像17，该过程表示为：

其中，IFrt_Z代表衍射距离为Z的菲涅尔反变换。

以下具体说明该安全的压缩全息成像步骤：

步骤S1：将光源发出的一束光分解为两束光，其中一束为照射在物体图像17的物光，另一束为照射在宿主图像18的参考光。

具体的，通过激光器111发出一束线性偏振激光光源；该线性偏振激光光源经过扩束器 112扩束和准直后，照向第一分束器113。所述第一分束器113将该束激光分为两束光，其中一束为照射在物体图像17的物光；另一束为照射在宿主图像18的参考光。

步骤S2：将物光反射照向物体图像17，并对物光进行加密，获得携带物体图像17的加密物光光束。

步骤S21：沿着物光光路路径，在物体图像17前设置一反射镜121，通过所述反射镜121 将物光进行反射后照向物体图像17；

步骤S22：在物体图像17后方设置所述第一随机相位板122；在所述第一随机相位板122 后方设置与之平行的第二随机相位板123；使透过物体图像17的物光依次通过所述第一随机相位板122和第二随机相位板123，以获得携带物体图像17的加密物光光束。

所述物光通过反射镜121、物体图像17、第一随机相位板122和第二随机相位板123后，利用双随机相位编码技术即可获得物体图像17像素置乱后的加密图像。

假设物光照射在物体图像17上的透过率为O(x₀,y₀)，则经过第一随机相位板122和第二随机相位板123获得的加密物光光束，其所表示的加密物体图像17用复振幅的分布可以表示为：

上述表达式描述了物体图像17加密后生成的加密图像的信息。

其中,K₁表示物光通路的光振幅；exp[i2π·p(x₀,y₀)]和exp[i2π·q(x₁,y₁)]分别为第一随机相位板 122和第二随机相位板123的复振幅透过率；p(x₀,y₀)和q(x₁，y₁)均为分布在[0,1]区间上的统计独立的白噪声；Frt_Z表示衍射距离为Z的菲涅尔变换，第一随机相位板122和第二随机相位板123之间的距离为Z₁,第二随机相位板123和数字微镜器件151之间的距离为Z₂。

步骤S3：将参考光调相后照射在宿主图像18，获得携带宿主图像18的参考光光束。

具体的，通过所述压电转换器131将所述参考光分三次调相后，生成相位分别为0,π的干涉光源；所述第二分束器132将调相后的参考光照射宿主图像18，进而获得携带宿主图像18的参考光光束。

经过调相的参考光光束，其所表示的宿主图像18复振幅分布可以表示为：

上述表达式分别描述了步进相移φ_R用0,π相移的三幅宿主图像18的信息。

步骤S4：将携带物体图像17的加密物光光束和携带宿主图像18的参考光光束叠加，生成干涉全息图。

所述第三分束器141同时接收携带宿主图像18的参考光光束和携带物体图像17的加密物光光束，以形成同轴的干涉光，并将这两种光束叠加生成干涉全息图，该干涉全息图携带了加密与水印后的物体图像信息。

步骤S5：采集干涉全息图数据，并根据该数字干涉全息图数据重构出物体图像17。

具体的，所述步骤S5，还包括如下步骤：

步骤S51：通过一数字微镜器件151压缩采样所述干涉全息图数据；

通过数字微镜器件151对叠加的干涉全息图进行高速采集，然后计算数字微镜器件151 平面上的测量矩阵与干涉全息图的随机线性测量值，以得到压缩全息图的采样，再使得光束经过会聚透镜152，由单光子探测器153收集为模拟电信号。

本实施例中，利用数字微镜器件151的微镜单元光控开关的特性，实现对叠加的干涉全息图信息的采集和压缩采样。本实施例中，数字微镜器件151的对应+12°方向偏转角的发射光经过会聚透镜152由单光子探测器153收集。

具体的，在数字微镜器件151平面上叠加的三幅干涉全息图的光强值可以表示为：

上述表达式描述了携带物体图像17的加密物光光束和携带宿主图像18的参考光光束叠加后的三幅干涉全息图。至此，利用一个改进的马赫增德尔干涉仪就可以在全光域的环境中实现物体图像17的加密和水印。

单光子探测器153的高灵敏度的光电二极管的输出电压表示为：

其中表示数字微镜器件151平面上的m维伪随机测量矩阵。重复这个过程 M次，可以得到的测量值Y为：

Y＝[y₁,y₂,y₃]＝Ψ[I_H1,I_H2,I_H3],

其中Ψ∈R^M×N是数字微镜器件151平面获得的测量矩阵，Y∈R^M×3是测量值，y_k∈R^M×1，I_Hk∈R^N×1。

以上，就完成了对所述叠加的干涉全息图信息的模拟信号采集和压缩采样。

步骤S52：将该压缩全息图经过一会聚透镜152汇聚后，通过一单光子检测器对该压缩全息图数据进行单点检测和光电子计数，将光信号转换为模拟电信号，再通过模数转换器将模拟电信号转换成数字压缩全息图。

步骤S53：根据数字压缩全息图，利用压缩感知算法重构在数字微镜器件151上叠加的干涉全息图；利用菲涅尔反变换算法、宿主图像18的复振幅信息及电或者光的方法重构出原始物体图像17。

本实施例中，利用两步迭代收缩算法(TwIST)重构在数字微镜器件151上的叠加的干涉全息图。

利用两步迭代收缩算法(TwIST)通过解决以下的最优化问题来重建干涉光强度：

其中，μ是常量，是一个最小二乘项，当与相关矢量量化值Y_k一致时它的值最小，是信号的全变分表示,具体为如下公式：

该公式中下标i，j表示所有成对的相邻像素点，是离散梯度的l₁范数。

至此，算法已经重构出在数字微镜器件151上的三幅干涉全息图。

利用得到的三幅全息图第一随机相位板122和第二随机相位板123间的距离 Z₁,第二随机相位板123和数字微镜器件151间的距离Z₂、第一随机相位板122和第二随机相位板123的复振幅透过率来恢复原始物体图像17。

具体的，计算出加密和水印后的物体图像的相位信息φ(ξ,η)和振幅信息A(ξ,η)如下：

其中，宿主图像的衍射分布φ_h，A_h利用马赫-增德尔干涉仪下的三步相移法提前获得。

通过菲涅尔反变换算法重构出所述物体图像17，该过程表示为：

其中，IFrt_Z代表衍射距离为Z的菲涅尔反变换。

请参阅图3，其是本实用新型实施例中安全的压缩全息成像方法的实验仿真结果图。

在实验中，氦氖激光波长为632.8nm，物光和参考光振幅比为0.000001:1，第一随机相位板122和第二随机相位板123间的距离Z₁为0.1m,,第二随机相位板123和数字微镜器件151 间的距离Z₂为0.2m，宿主图像18的衍射距离Z₃为0.3m。物体图像17采用“光”的图片，宿主图像18为“Lena”图，两图像的大小均为256×256像素。在该仿真实验中，使用256 ×256×54.2％的加密水印图像的测量数据进行图像重建，利用加密水印图像的压缩数据，结合正确的密码和光学系统参数能实现对物体图像17的准确恢复。图3(a)为物体图像17“光”，图3(b)为宿主图像18“Lena”，图3(c)为DMD上的加密和水印的全息图,图3(d)为不经过压缩的重构图像，图3(e)为在该方法下使用256×256×54.2％的测量数据获得的重构图像。实验仿真结果证明，在菲涅尔域下的纯光学方案下，提出的具有安全特性的压缩全息成像系统是切实可行的。

相比于现有技术，本实用新型利用三步相移法记录干涉全息图，在全光域环境中同时实现图像加密、图像水印和图像压缩，保密性更强，保证了信息在传输和存储过程中的安全，避免了原始物体图像遭到非法窃取或篡改，实现了安全压缩成像的要求。

本实用新型并不局限于上述实施方式，如果对本实用新型的各种改动或变形不脱离本实用新型的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本实用新型的权利要求和等同技术范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变形。