基于CMOS图像传感器PUF的哈希算法及认证方法与流程

技术特征：

1.一种基于CMOS图像传感器PUF的哈希算法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过相机中的CMOS图像传感器采集原始图像，对原始图像进行预处理，获得像素大小为N×N的预处理图像，N为自然数；

2)在二维DCT域中，对N×N的预处理图像进行特征提取，提取得特征向量F，并同时产生一个时间戳t；

3)在相机下一个采集图像曝光之前的复位时间，将特征向量F与时间戳t分别作为移位时钟周期N_clk与激励C，输入到相机中的CMOS图像传感器的物理不可克隆功能PUF中来产生哈希值R。

2.根据权利要求1所述的基于CMOS图像传感器PUF的哈希算法，其特征在于：所述步骤1)中的对原始图像进行预处理，具体为，

1-1)大小归一化；

通过双线性差值与向下采样将所采集的原始图像归一化成一个像素大小为N×N的归一化图像；

1-2)低通滤波；

对N×N的归一化图像使用高斯低通滤波器进行滤波处理；

1-3)直方图均衡化；

将滤波处理后图像的亮度分布归一化。

3.根据权利要求1所述的基于CMOS图像传感器PUF的哈希算法，其特征在于：所述步骤2)中的对N×N的预处理图像进行特征提取，具体为，

2-1)将N×N的预处理图像划分为不重叠的块，每个块由P×P个像素组成，即共有n个块产生，n＝N²/P²，其中，N、P均为自然数；

2-2)将每个块表示为B_i(i＝1,2,...,n)，一个像素在块B_i的空间位置(x,y)处的灰度级表示为B_i(x,y)；将二维DCT应用到块B_i中，那么灰度级B_i(x,y)的DCT系数为：

$\begin{array}{cc}{Q}_i(p,q)=a_p{a}_q\underset{p=0}{\overset{N-1}{\Σ}}\underset{q=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{B}_i(x,y)\cos \frac{\mathrm{\π}(2p+1)x}{2N}\cos \frac{\mathrm{\π}(2q+1)y}{2N}& \left\{\begin{array}{c}0\≤p\≤N-1\\ 0\≤q\≤N-1\end{array}\right.\end{array}$

$a_p,a_q=\left\{\begin{array}{c}1/\sqrt{N},p,q=0\\ \sqrt{2/N},1\≤p,q\≤N-1\end{array}\right.$

得出每个块中的DCT矩阵的第一个系数Q_i(1,1)就是DC系数，其余的系数则是AC系数；

2-3)从预处理图像中提取的特征向量F由每个块B_i中的Q_i(1,1)，Q_i(1,2)，Q_i(2,1)和Q_i(2,2)的绝对值之和组成，表示为：

F_i＝|Q_i(1,1)+Q_i(1,2)+Q_i(2,1)+Q_i(2,2)|

F＝{F₁,F₂,...,F_i,...,F_n-1,F_n}

其中，F_i为块B_i所提取的特征向量。

4.根据权利要求3所述的基于CMOS图像传感器PUF的哈希算法，其特征在于：所述步骤3)中的将特征向量F与时间戳t分别作为移位时钟周期N_clk与激励C，输入到相机中的CMOS图像传感器的物理不可克隆功能PUF中来产生哈希值R，具体为，

3-1)对每个图像的块B_i，通过地址解码器解码出一个激励C来读出一个像素复位电压值P_C；

3-2)通过一个线性移位寄存器LFSR利用激励C产生一个影子地址C’；

3-3)将激励C作为输入放入线性移位寄存器LFSR中充当种子使其初始化，而影子地址C’就是线性移位寄存器LFSR移位N_clk个移位时钟周期后的输出；

其中，N_clk来自特征向量F中的F_i；

3-4)对于给定的激励C，每个图像块通过它的特征F_i产生响应，所以一个完整的图像将会产生n位比特的哈希输出；

哈希值R表示为R＝PUF(C,F)，哈希值R是由用户的激励C、图像内容的特征F以及图像传感器自身的制造差异所决定的随机PUF所产生的。

5.一种基于CMOS图像传感器PUF的认证方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)根据权利要求1～4任意一项所述的基于CMOS图像传感器PUF的哈希算法，将相机捕获到的原始图像通过相机中的CMOS图像传感器的物理不可克隆功能PUF中来产生原始图像哈希值R；

b)从通信通道获取原始图像经传输后的待检测图像，根据权利要求1～4任意一项所述的基于CMOS图像传感器PUF的哈希算法，将该待检测图像通过相机中的CMOS图像传感器的物理不可克隆功能PUF中来产生待检测图像哈希值R’；

c)比较原始图像哈希值R和待检测图像哈希值R’，来认证待检测图像是否为原始图像的真实内容；

若原始图像哈希值R和待检测图像哈希值R’在设定范围内的比特位均是相等的，则认证成功，认证该待检测图像为原始图像的真实内容；

否则，认证失败，认为该待检测图像为原始图像的伪造或篡改版本。

6.根据权利要求5所述的基于CMOS图像传感器PUF的认证方法，其特征在于：所述步骤c)中的比较原始图像哈希值R和待检测图像哈希值R’，通过计算原始图像哈希值R和待检测图像哈希值R’之间的汉明距离d来衡量，

$d=HD(R,R^{,})=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{R}_i\⊕R_i^{,}}{n}$

其中，HD(·)表示归一化的汉明距离，即两个相等长度的二进制字符串之间的比特差异部分；为模2加运算，R_i为原始图像中块B_i对应的哈希值、R’_i为待检测图像中块B_i对应的哈希值；

若d＞η，η为篡改阈值，则认为该待检测图像的内容已被篡改；否则，则认为该待检测图像的内容没有发生改变或者只是经过了正常的图像处理操作。

7.根据权利要求5所述的基于CMOS图像传感器PUF的认证方法，其特征在于：所述步骤c)中的认为该待检测图像为原始图像的伪造或篡改版本，具体包括以下几种情况，

(1)该待检测图像为原始图像的篡改版本，其被篡改的区域则通过不匹配的比特位的位置来确定；

(2)该待检测图像为原始图像的伪造版本，其内容是真实的，但是时间戳的值已被改变；

(3)该待检测图像不是由捕获原始图像的相机所捕获的图像；

(4)以上三种情况的任意组合的情况。