一种基于孔径加密和衍射成像的图像认证方法

本发明涉及图像，特别涉及一种基于孔径加密和衍射成像的图像认证方法。

背景技术：

1、近年来，许多学者对光学加密系统进行了改进，并设计了可用于信息安全认证的光学加密系统。在身份认证的应用中，加密者希望解密者看不到解密后的明文信息，但又可以根据解密后的信息确定该信息与原始明文一一对应，从而确认解密者的身份。图像认证一般将明文图像加密为可以表征图像信息的稀疏表示，通过正确的密钥和密文得到解密图像，将其和数据库中的原始图像相比较，从而判断是否认证成功。2011年,有学者首次结合光子成像技术和双随机相位编码技术，提出一种光学信息安全认证方法。此方案中，解密图像无法仅通过视觉加以识别，而是通过非线性相关运算来确认，这也是双随机相位编码技术首次被应用于光学信息安全认证。随后，一些学者基于相位恢复算法、双随机相位编码和光子技术等手段，提出了不少身份认证方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种基于孔径加密和衍射成像的图像认证方法。本发明有效地提升了衍射成像加密系统的安全性。

2、本发明的技术方案：一种基于孔径加密和衍射成像的图像认证方法，包括加密、解密和认证过程，加密过程中，首先分别将待加密图像和作为密钥的孔径输入包含三块随机相位板的衍射成像加密系统，得到两个加密图像，接着利用两个互补的二值振幅板分别对两个加密图像进行稀疏处理后合并得到密文；

3、解密过程中，先将作为密钥的孔径经过衍射成像加密系统得到加密图像，然后进行像素替换操作，将密文中与孔径的加密图像值相同的像素点的值替换为零，得到稀疏后的密文，将稀疏密文的非零值替换为1，则得到一个二值振幅板，该二值振幅板、稀疏后的密文与加密过程中使用的随机相位板、衍射距离一起作为相位恢复算法迭代过程的约束条件，经过迭代得到解密后的图像；

4、认证过程中，解密后的图像通过非线性相关算法与原图即待加密图像进行对比认证，如果认证结果中出现一个显著的相关峰，则表示认证成功，而如果存在明显噪声，且没有显著相关峰，则表示认证失败。

5、上述基于孔径加密和衍射成像的图像认证方法，所述的衍射成像加密系统包括激光器，激光器的前方设置有扩束镜和透镜，透镜的前方设有振幅型空间光调制器，空间光调制器的前方光路上设有三块随机相位板，随机相位板的前方设有ccd相机。

6、前述基于孔径加密和衍射成像的图像认证方法，所述衍射成像加密系统的加密是由激光器发出波长为λ的单色光，单色光先经过扩束镜进行准直，再经过透镜垂直照射到加载在空间光调制器slm上的输入图像o上，光场经过三块随机相位板m1、m2、m3调制后，最终在输出平面上由ccd记录衍射光的强度分布并作为密文图像保存；所述衍射光的强度表示为：

7、i1(μ,ν)＝|frtλ{frtλ[frtλ(o(x,y)m1(x,y)；d1)m2(p,q)；d2]m3(ξ,η)；d3}|2；

8、其中，frt{}为菲涅尔变换，三块随机相位板m1、m2、m3之间的距离分别为d1、d2、d3，(x,y)、(p,q)、(ξ,η)和(μ,ν)分别表示输入图像、m1、m2、m3和ccd平面的坐标，| |表示取模运算；λ为波长；

9、将上述加密过程简化表示成：

10、i1(μ,ν)＝|dibeλ,d,m[o(x,y)]|2；

11、式中：dibe[]表示光学衍射成像加密系统，其结果为光场复振幅分布，m表示衍射成像加密系统中的三块随机相位板的组合(m1,m2,m3)，d表示三块随机相位板相互距离的组合(d1,d2,d3)。

12、前述的基于孔径加密和衍射成像的图像认证方法，所述加密过程是待加密图像o作为输入图像通过衍射成像加密系统得到对应的加密图像i1，在ccd上记录的强度图表示为：

13、i1(μ,ν)＝|dibeλ,d,m[o(x,y)]|2；

14、孔径a作为输入图像加载到slm上也进行一次衍射成像加密，调整三块相位板之间的相互距离，在ccd上记录到的加密图像i2表示为：

15、i2(μ,ν)＝|dibeλ,d′,m[a(x,y)]|2；

16、其中，d′表示三块随机相位板相互距离的组合(d′1,d′2,d′3)。

17、所述稀疏处理是先将加密图像i1乘以一个随机的二值振幅板s1，加密图像i2乘以s1的互补振幅板s2，然后将两个稀疏后的加密图像合并成为最终的密文c，则有：

18、c＝i1s1+i2s2。

19、前述的基于孔径加密和衍射成像的图像认证方法，所述密钥包括孔径、激光波长、衍射距离和随机相位板。

20、前述的基于孔径加密和衍射成像的图像认证方法，所述解密过程是根据孔径使用加密过程中的正确的波长、衍射距离、随机相位板进行一次衍射成像得到加密图像i2，然后用密文c减去得到的加密图像i2，将相减得到的矩阵中非零值全部替换为1，则得到二值振幅板s1，密文c与s1相乘得到稀疏后的密文cs，再将稀疏后的密文cs、二值振幅板s1、三块随机相位板作为相位恢复算法迭代过程的约束条件，通过迭代运算得到用于认证的图像。

21、前述的基于孔径加密和衍射成像的图像认证方法，所述相位恢复算法的迭代过程如下：

22、在第n次(n＝1,2,3…)迭代运算过程中，衍射成像加密系统输入面上的图像为x(n)(x,y)，经过衍射成像加密系统后在ccd所在平面的光场复振幅分布可表示为:

23、y(n)(μ,ν)＝dibeλ,d,m[x(n)(x,y)]；

24、特别规定，当n＝1时，初始输入信号x(1)(x,y)是一个元素值均为1的矩阵；

25、由密文cs、二值振幅板s1和加密图像y(n)(μ,ν)生成稀疏加密图像：

26、c(n)＝cs+(1-s1)i(n)；

27、衍射成像加密系统输出面上光场的复振幅分布被更新为：

28、

29、然后从输出平面反向传播到输入平面得到一个新的强度图，作为下一次迭代即第n+1迭代过程中衍射成像加密系统的输入信号，该过程可表示为：

30、

31、式中：*表示共轭运算，由两次相邻迭代得到：

32、δx＝∑[|x(n+1)(x,y)|-|x(n)(x,y)|]2；

33、重复迭代运算过程直至迭代次数达到n时，迭代终止，解密后的图像则为：

34、os(x,y)＝x(n+1)(x,y)。

35、前述的基于孔径加密和衍射成像的图像认证方法，所述非线性相关方法的计算表达式为：

36、nc(x,y)＝|ift{ft[os(x,y)]·{ft[o(x,y)]}*|ft[os(x,y)]·{ft[o(x,y)]}*|ω-1}|2；

37、式中：ft[]和ift{}分别表示傅立叶变换和逆傅立叶变换，ω表示非线性的强度，当认证成功时，函数nc(x,y)的分布图中将出现尖锐的相关峰。

38、本发明的加密过程中，通过分别将待加密图像和作为密钥的孔径输入到包含三块随机相位板的衍射成像加密系统中，得到两个加密图像，并分别稀疏处理后合成密文；解密时，先将作为密钥的孔径经过衍射成像加密系统得到加密图像，然后将密文中与孔径加密图像值相同的像素点的值替换为零，得到稀疏后的密文，，将稀疏密文的非零值替换为1，则得到一个二值振幅板，它与稀疏密文、加密过程中使用的随机相位板一起作为相位恢复算法迭代过程的约束条件。本发明在加密过程中通过引入孔径密钥，扩大了密钥空间，在缺乏孔径密钥的情况下攻击者无法通过相位恢复算法由密文得到可以认证的图像，从而提升了衍射成像加密系统的安全性，仿真模拟结果证明了该方法的可行性和有效性。