专利名称：基于虚拟成像的信息隐藏加/解密方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于虚拟成像的信息隐藏加/解密方法及装置，属于信息安全领域。
背景技术：
传统的数据加密方法是根据密码学原理和基于数学算法的加密技术。随着计算机计算速度的不断提高，以及分布处理技术的日益发展，原有的一些加密算法(如DES，RSA算法)已被破解。目前，国内所采用的加密算法大都是国外将要淘汰的低强度加密算法。由此所带来的不安全因素已成为当前阻碍经济发展和威胁国家安全的一个重要问题。
基于光信息处理的数据加密技术是近年来在国际上开始起步发展的一种新的“非数学”数据加密方法。例如利用光学加密方法保护身份认证的各种生物特征数据(例如指纹、脸像)以及其它数据，可防止对原始数据的篡改或隐藏原始数据，也就是当前的一个研究热点。光学加密技术作为“非数学”信息安全技术之一具有其独特的优点除了具有实时的数据传递速度外，在应用于数据隐藏的情况下还能引入比传统方法更多的自由度对数据进行加密和解密。
与电子数据加密处理器相比，目前发展的全光学系统和光电混合数据加密系统都还只能在实验室中实现，而尚未形成可以实际应用的系统。主要原因是基于自由空间传播的光学元器件体积较大、成本很高、使用不灵活、模-数转换不够方便。用这样的光学元器件构造的系统难以在实际数据加密中应用。
可对比的技术文献有以下五篇[1]X.Peng，Z.Y.Cui，and T.TanInformation encryption with virtual-optics imaging system.OPTICS COMMUNICATIONS，2002，212，235-245[2]X.Peng，Z.Y.Cui，and T.TanImage encryption with virtual optics.Proc.SPIE4929，2002，96-104.(Invited Paper)[3]P.Refregier，B.Javidi，Optical image encryption based on input and Fourier plane randomencoding，Optics Letters，1995，20(7)767-769[4]Javidi，G.Zhang and J.Li，Experimental demonstration of the random phase encodingtechnique for image encryption and security verification，Optical Engineering，1996，35(9)2506-2512[5]US Patents6,002,773；5,903,648发明内容本发明的目的在于提供一种基于虚拟成像的信息隐藏加/解密方法及装置，所述的方法具有加/解密自由度大、安全级别高的特点；所述的装置具有使用灵活性高和适应性强的特点。
为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案加以实现的。使用并行硬件和算法的电子装置及软件仿真虚拟成像过程对包括图像和语音信息隐藏加/解密的方法，其特征在于，具体做法是对于图像信息在加密端的加密步骤1)对信息平面U0(x0，y0)进行N×N的采样，沿x0和y0方向的采样间隔分别为Δx0和Δy0，用kΔx0和lΔy0替换x0和y0，其中k，l是0到N-1之间的整数。同理用mΔξ和nΔη替换透镜前表面UL1(ξ，η)，后表面的复振幅分布UL2(ξ，η)中的ξ和η；m，n也是0到N-1之间的整数。
2)为了提高密级，在光路中加入一个模拟“随机光场”的随机模板(用UM表示)。
3)在加密过程中，用离散菲涅尔变换(DFD)计算信息平面和随机模板到透镜前表面的衍射，衍射距离分别为d0和d，它们在透镜前表面的菲涅尔衍射图案将发生干涉，得到干涉图，干涉图又经透镜的复振幅透过率函数的转换到达透镜的后表面。成像透镜后表面的复振幅分布UL2(ξ，η)被当作密文。密文与波长λ，衍射距离d0，透镜焦距f有关，因此用这三个参数来设计密钥。
加有密钥的图像信息经通讯线路传至解密端后按下列步骤解密1)用相应的解密参数(钥匙)λ_key、f_key、d0_key计算随机模板在透镜后表面的复振幅分布，从密文中减去该分布值。
2)剩下信息物所反射的光波在透镜后表面的复振幅分布，再对此结果作距离为di的衍射(di是透镜后表面到像平面的距离)，就会得到原信息图像的像。对于语音信息的加/解密步骤利用软件将语音数据读取到矩阵中，再利用数组操作将它的元素重新排列使之成为一个N×N的矩阵，然后按照上述图像信息在加密端和解密端加/解密步骤进行操作。
按照上述方法实现的加/解密装置是由通用PC机和数字信号处理器、可编程专用集成电路构成的主从式系统，或是由数字信号处理器或可编程专用集成电路构成的脱离PC机单独运行的嵌入式系统；并且装置按照下述顺序连接，装置的输入端与通讯系统的输出端相连接，装置的输出端直接与通讯线路相连接，当原有的通讯系统传输的信息是模拟信号，还要在加/解密装置的前端加上模/数转换接口，在后端加上数/模转换接口。
所说的数字信号处理器是单个并行数字信号处理器或由至少两个数字信号处理器构成的阵列。
所说的可编程专用集成电路是单个复杂的可编程逻辑器件或由至少两个复杂可编程逻辑器件组成的阵列，或是单个现场可编程门阵列或由至少两个现场可编程门阵列组成的阵列，或是由复杂的可编程逻辑器件和现场可编程门阵列组成的阵列。
本发明的优点在于(1)较传统数据加密过程有更大的自由度，安全级别很高。比如，可在某一光谱范围任意选择一个波长设计密钥，而不依赖于具有特定波长的物理光源(如激光)；(2)可以在大范围内任意地选择信号平面或随机相位模板的空间位置设计密钥；(3)系统在数字域实现加密和解密，这样可以完全消除光学器件的物理限制，使光学数据加密的思想可以很容易地实现；(4)使用了数字信号处理器或可编程专用集成电路，用电子手段(并行硬件、并行算法)仿真信息光学中并行信息加/解密的物理过程，加/解密速度快、抗外界干扰性能强；(5)可用于各种媒体信息如图像、视频、语音、文本等传输过程的数据加密处理，(6)可构成嵌入式系统，实时完成对敏感信息的加/解密；(7)采用数字信号处理器或可编程专用集成电路实现后，该系统能够迅速跟踪新的算法。只通过软件更新，就能进行产品升级换代。不用重新定制ASIC(Application Specific Integrated Circuit)，具有很好的灵活性和适应性。
图1是通用PC机和数字信号处理器、可编程专用集成电路构成的主从式加/解密装置工作原理示意图。
图2是通用PC机和数字信号处理器、可编程专用集成电路构成的主从式加/解密装置硬件结构框图。
图3是通用PC机和数字信号处理器、可编程专用集成电路构成的主从式加/解密装置加密算法的流程框图。
图4是通用PC机和数字信号处理器、可编程专用集成电路构成的主从式加/解密装置解密算法的流程框图。
图5是数字信号处理器阵列构成的嵌入式加/解密装置结构框图。
图6是复杂的可编程逻辑器件阵列构成的嵌入式加/解密装置结构框图。
图7是现场可编程门阵列芯片阵列构成的嵌入式加/解密装置结构框图。
图8是复杂的可编程逻辑器件阵列与现场可编程门阵列芯片阵列构成的嵌入式加/解密装置结构框图。
图中101、201是通用PC机，102是DSP子系统，103是通讯网络，202是PCI总线控制器，203、501是数字信号处理器(DSP)，204、701、802是现场可编程门阵列芯片，205是电源管理芯片，206是Flash存储器，207是同步动态RAM，208是同步触发静态RAM，601、801复杂的可编程逻辑器件。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施方式做详细地说明。为便于说明，以通用PC机和数字信号处理器、可编程专用集成电路构成的主从式加/解密系统为实施例，下列描述将集中于这一图1是通用PC机、数字信号处理器(DSP)、以及可编程专用集成电路(FPGA)构成的主从式加/解密系统工作原理示意图，图2是其硬件结构框图。该主从式加/解密系统将通用PC机101作为主机，DSP子系统102作为从机。采用软件编程实现主机和从机之间的信息交换和实时通讯、界面选择、人机接口等功能。采用DSP+FPGA构成的从机实现多媒体信息的加密、解密、打包、封装等功能。DSP完成核心加解密算法，FPGA完成系统复位控制、电源管理、PCI控制器和DSP接口控制、PCI控制器和DSP的中断控制、数据的传输时序控制。主、从机之间通过PCI总线进行数据通讯、信息交换。
图3和图4为通用PC机和数字信号处理器、可编程专用集成电路构成的主从式加/解密系统加/解密算法的流程框图。
本发明中实现的加/解密算法，是模拟单透镜成像系统的成像过程并利用它实现信息的加/解密。假定成像系统中所涉及的衍射都满足菲涅尔近似条件，且信息平面和随机模板由相同选定波长的相干光照明。在加密过程中，我们用离散菲涅尔变换(DFD)计算信息平面(用U0表示)和随机模板(用UM表示)到透镜前表面的衍射，衍射距离分别为d0和d。它们在透镜前表面的菲涅尔衍射图案将发生干涉，得到干涉图，干涉图又经透镜的复振幅透过率函数的转换到达透镜的后表面。成像透镜后表面的复振幅分布(用UL2表示)被当作密文，它可以通过通信链路传送。
其中图3(a)所示为信息平面(U0)的离散菲涅尔变换(DFD)过程DFD[U0(k,l);λ,d0]=1jλd0exp[jπλd0(m2Δξ2+n2Δη2)]]]>×Σk=0N-1Σl=0N-1U0(k,l)exp[jπλd0(k2Δx02+l2Δy02)]]]>×exp[-j2π(kmN+lnN)]]]>由上式可以看出离散菲涅尔变换(DFD)的计算是由信息平面与二次因子exp[jπλd0(k2Δx02+l2Δy02)]]]>之积的离散傅里叶变换(DFT)实现。因此本发明运用硬件实现的快速傅里叶变换(FFT)来计算式中的离散傅里叶变换从而大大提高运算速度。同理，后续的几个离散菲涅尔变换都采用硬件实现的快速傅里叶变换(FFT)来计算。
图3(b)表示的是随机模板(UM)的离散菲涅尔变换(DFD)。图3(c)中的t(m,n)=exp[-jk2f(m2Δξ2+n2Δη2)],]]>它是透镜复振幅透过率函数的离散形式。图3(d)描述的是成像透镜后表面的复振幅分布(UL2)即密文的形成过程UL2(m，n)＝{DFD[U0(k，l)；λ，d0]+DFD[UM(k，l)；λ，d]}×t(m，n)从上述过程中我们可以看到在加密过程中，除了d0，焦距f和波长λ以外，随机模板本身的编码和它到透镜前表面的衍射距离d也可作为密钥使用，这使得不知道正确钥匙的未授权者很难解密出明文的原信息。其中参数d0、f、λ的取值范围很宽，比如我们可以在400nm到1400nm的范围内随机选择波长。同时焦距也可以引入一个较大的密钥空间，比如可以在10mm到110mm之间随机选取焦距值。上述计算方法具有良好的再现性、重复性。
在接收端，进行解密的过程包括下列步骤1)使用相应解密参数(钥匙)λ_key、f_key、d0_key；2)如图4(a)所示计算随机模板密钥(用UM′表示)的DFD变换，衍射距离为d；3)如图4(b)，计算透镜的复振幅透过率t(m，n)；4)如图4(c)所示，1)中结果乘上透镜的复振幅透过率t(m，n)，得到其在透镜后表面的复振幅分布；将其从密文中减去，结果用U′表示；5)如图4(d)所示，对U′作衍射距离为di的DFD变换(di是透镜后表面到像平面的距离)，得到原信息的像，即恢复了加密的信息。
下面的方程可以描述上述解密过程，Ui(m，n)＝DFD[U′(k，l)；λ_key，di(d0_key，f_key)]式中，U′(m，n)＝UL2(m，n)-DFD[UM′(k，l)；λ_key，d]×t(m，n；f_key)图3中出现的中间变量说明如下α1=πλd0(k2Δx02+l2Δy02),α2=πλd0(m2Δξ2+n2Δη2),]]>β1=πλd(k2Δx02+l2Δy02),β2=πλd(m2Δξ2+n2Δη2),]]>γ=K2f(m2Δξ2+n2Δη2),]]>其中K=2πλ,]]>图4中中间变量说明如下β1_key=πλd(k2Δx02+l2Δy02),β2_key=πλd(m2Δξ2+n2Δη2),]]>γkey=K2f(m2Δξ2+n2Δη2),]]>α1_key=πλd0_key(k2Δx0′2+l2Δy0′2),α2_key=πλd0_key(m2Δξ′2+n2Δη′2),]]>其中Δx0′、Δy0′、Δξ′、Δη′的尺度根据仿真透镜的尺寸、采样定理以及菲涅尔衍射条件确定。
为达到实时处理的目的，本发明在算法实现的过程中，使用了并行处理硬件、算法结构并针对专用硬件的特定代码优化、软件优化技术。本发明在进行DSP端软件开发时，采用了消除冗余循环、循环展开、用双字访问两个浮点型变量等多种技术。充分利用了DSP的并行资源，使得在前次迭代完成之前就开始新的循环迭代。充分实现了软件流水，程序快速性大大提高。其中最重要的技术是软件流水线的使用。软件流水是针对算法中最耗时的核心循环来安排循环指令，使循环中的多次迭代并行执行的一种技术。这种技术克服了传统的CPU体系结构在程序获取、数据接入和乘法操作方面的瓶颈；在一个时钟周期内，流水线能够调度8条平行指令。它的使用使本发明中的DSP实现了其最佳性能，使程序并行度得到进一步提高。
在本发明实现的算法中最耗时的核心循环为离散菲涅尔变换(DFD)。在进行加密时，图像的DFD和模板的DFD(二者不具有相关性)通过软件优化被并行处理。在进行解密时，由于两次核心DFD算法具有相关性，不能并行处理，所以采取循环展开的方法提高软件性能，我们将执行周期很少的内部循环展开成一个比较大的内部循环，尽可能增加并行执行的指令数，同时对多个像素点进行操作，使流水线始终保持充满。在一定程度上弥补了完全采用电子加密手段而丧失的光学并行处理的优点。
从流程图中可以看到正弦三角函数Sine，余弦三角函数Cosine是加/解密算法中大量用到的基本运算，程序的优劣直接影响到编码、解码的速度。为提高系统运行速度，在本发明中采用查找表(LUT)的方法实现这些基本运算。采用查表方法代替数学函数的调用能提高效率，因为表格查找起来执行速度快，，所用代码少，而且省去了函数调用时用来保护现场所需的堆栈空间。
图5是本发明的另外一种实施例。在这个实施例中，数字信号处理器阵列是由单个数字信号处理器501或多个数字信号处理器501的组合构成的，算法被固化在数字信号处理器阵列中的EPROM内，构成嵌入式系统，从而可以脱离PC机单独运行。这种脱机的多媒体信息隐藏系统具有体积小、灵活简便等优点。用户还可灵活控制系统的结构参数和密钥，当需要改变参数和密钥时，只需对DSP端软件宏定义部分相应改动，再用编程器重新写入EPROM即可。
图6是本发明的又一种实施例。在这个实施例中，复杂的可编程逻辑器件阵列是由单个复杂的可编程逻辑器件601或多个复杂的可编程逻辑器件601的组合构成的嵌入式加/解密系统结构框图。
图7也是本发明的一种实施例。在这个实施例中，嵌入式加/解密系统是由单个现场可编程门阵列芯片701或多个现场可编程门阵列芯片701组合而成的阵列构成的。
图8是本发明的另外一种实施例。它是由单个或多个复杂的可编程逻辑器件801构成的阵列与单个或多个现场可编程门阵列芯片802构成的阵列组成的嵌入式加/解密系统。
图6、7、8所示的本发明的几种实施例，具有共同的特征，就是硬件实现速度快、可重新配置、体积小，灵活简便，可以脱离PC机单独运行。用户可以灵活控制系统的结构参数和密钥，当需要改变参数和密钥时，只需对相应芯片设计进行稍许修改，重新综合、编程、加载即可。
本发明实施例中的各种嵌入式系统可以被嵌入到多种电子产品中去，如通信、计算机、有线电视(CATV机顶盒)产品，完成对保密图文、保密电话及各种对多媒体信息有保密要求的场合。
本发明也适用于视频、音频，如DVB(Digital Video Broadcasting)、DAB(Digital AudioBroadcasting)等领域的应用，推广前景极为广阔。
权利要求
1.一种基于虚拟成像的信息隐藏加/解密方法，该方法通过使用并行硬件和算法的电子装置及软件，仿真虚拟成像过程对包括图像和语音的信息隐藏加/解密，其特征在于，具体做法是对于图像信息在加密端的加密步骤1)对信息平面U0(x0，y0)进行N×N的采样，沿x0和y0方向的采样间隔分别为Δx0和Δy0，用kΔx0和lΔy0替换x0和y0，其中k，l是0到N-1之间的整数，同理用mΔξ和nΔη替换透镜前表面UL1(ξ，η)，后表面的复振幅分布UL2(ξ，η)中的ξ和η；m，n也是0到N-1之间的整数；2)在光路中加入一个模拟“随机光场”的随机模板(用UM表示)；3)在加密过程中，用离散菲涅尔变换(DFD)计算信息平面和随机模板到透镜前表面的衍射，衍射距离分别为d0和d，它们在透镜前表面的菲涅尔衍射图案将发生干涉，得到干涉图，干涉图又经透镜的复振幅透过率函数的转换到达透镜的后表面，成像透镜后表面的复振幅分布UL2(ξ，η)被当作密文，密文与波长λ，衍射距离d0，透镜焦距f有关，它们是设计密钥的参数；加有密钥的图像信息经通讯线路传至解密端后按下列步骤解密1)用相应的解密参数(钥匙)λ_key、f_key、d0_key计算随机模板在透镜后表面的复振幅分布，从密文中减去该分布值；2)剩下信息物所反射的光波在透镜后表面的复振幅分布，再对此结果作距离为di的衍射(di是透镜后表面到像平面的距离)，就会得到原信息图像的像；对于语音信息的加/解密步骤利用软件将语音数据读取到矩阵中，再利用数组操作将它的元素重新排列使之成为一个N×N的矩阵，然后按照上述图像信息在加密端和解密端加/解密步骤进行操作。
2.一种实现按照权利要求1所述的基于虚拟成像的信息隐藏加/解密方法的装置，其特征在于加/解密装置是由通用PC机和数字信号处理器、可编程专用集成电路构成的主从式系统，或是由数字信号处理器或可编程专用集成电路构成的脱离PC机单独运行的嵌入式系统；并且装置按照下述顺序连接，装置的输入端与通讯系统的输出端相连接，装置的输出端直接与通讯线路相连接，当原有的通讯系统传输的信息是模拟信号，还要在加/解密装置的前端加上模/数转换接口，加/解密装置的后端加上数/模转换接口。
3.按照权利要求2所述的基于虚拟成像的信息隐藏加/解密的装置，其特征在于数字信号处理器是单个并行数字信号处理器或由至少两个数字信号处理器构成的阵列。
4.按照权利要求2所述的基于虚拟成像的信息隐藏加/解密的装置，其特征在于可编程专用集成电路是单个复杂的可编程逻辑器件或由至少两个复杂可编程逻辑器件组成的阵列，或是单个现场可编程门阵列或由至少两个现场可编程门阵列组成的阵列，或是由复杂的可编程逻辑器件和现场可编程门阵列组成的阵列。
全文摘要
本发明公开了一种基于虚拟成像的信息隐藏加/解密方法及装置，属于信息安全领域。该方法使用并行硬件和算法的电子装置及软件，仿真虚拟成像过程对信息隐藏加/解密。图像信息的加密包括信息平面的采样、加入随机模板、在设定参数下进行的离散菲涅尔变换。解密用相应的解密参数计算随机模板在透镜后表面的复振幅分布，再对信息物所反射的光波在透镜后表面的复振幅分布，作距离为d
文档编号G06F17/16GK1474283SQ0313053
公开日2004年2月11日 申请日期2003年8月4日 优先权日2003年8月4日
发明者翔 彭, 彭翔, 张鹏, 牛憨笨 申请人:深圳大学