[发明专利]基于分数梅林变换的光学图像加密方法

说明书

技术领域

本发明专利属于信息安全技术领域，特别涉及图像加密技术。

背景技术

随着全球网络化的发展，人们对网络系统和信息资源的依赖程度日益加深，同时不可避免地产生了网络信息的安全隐患，因此信息安全技术备受关注，其中密码技术是信息安全的核心。图像作为一种特殊的信息载体，由于其生动形象的特点，广泛应用于各个领域。在一些特殊的应用当中，图像信息作为机密信息需经过特殊处理才能进行传输，以防止敏感信息的泄漏。而图像信息不同于一般的文本信息，它具有数据量较大、占用频带较宽、信息冗余度较大、允许有一定失真度等特点，根据这些特点设计相应的图像加密方法具有重要的实用价值。

图像加密源于早期的经典加密理论，其目的是隐藏图像本身的真实信息，使窃取者在得到密文后无法获得原始图像，而授权的接收方可用预先约定的密钥和解密方法，对密文进行解密。主要的图像加密技术有基于矩阵变换/像素置换的图像加密技术、基于秘密分割与秘密共享的图像加密技术、基于现代密码体制的图像加密技术、基于混沌的图像加密技术等。传统的加密技术主要依靠计算机或数字信号处理器等电子器件来实现，这些方法受到速度和成本的限制。20世纪90年代以后，随着信息技术的广泛应用，研究人员开始研究更加安全、高效的图像加密技术，他们把目光投向基于光学理论与方法的图像加密方法。与传统的加密技术相比，光学图像加密技术具有多维、大容量、高设计自由度、高鲁棒性、天然的并行性、难以破解等诸多优势，因而倍受青睐，成为近年来国际上比较热门的新一代密码理论与技术。

光学加密方法的本质是通过一定的光学变换扰乱原图像的波前或光强分布，实现图像数据的加密。1995年美国Connecticut大学的Refregier和Javidi首次提出在标准4f光信号处理中通过双随机相位编码进行数据加密的光学方法，随后他们发表了多篇与该技术相关的研究报道，并获得多项基于此技术的美国专利保护。基于双随机相位编码的图像加密算法提供了光学图像加密的基本思想，是比较经典的图像加密算法。2000年，印度理工学院的Unnikrishnan等首次将分数傅里叶变换应用到图像加密当中。他们提出用分数傅里叶变换域来代替双随机相位编码系统中的傅里叶变换域，即基于分数傅里叶变换的双随机相位编码思想。分数傅里叶变换可通过光波在自由空间的传播和傅里叶透镜的联合作用来实现，与传统傅里叶变换相比，并不增加对硬件的额外要求。该加密系统中两块统计无关的随机相位模板分别置于光学系统的输入平面和变换域平面，分别对原始图像                                                的空间信息和分数傅里叶域信息做随机扰乱，在系统输出平面将得到平稳白噪声，可作为密文。由于光学系统具有并行数据处理能力，二维图像的每一个像素都可以同时被传播和处理，所处理的图像越复杂，信息量越大，这种优势就越明显。同时信息可以被隐藏在多个自由度空间，通过相位、振幅、偏振、波长等参数提供多种加密自由度。其密钥除了随机相位模板密钥外，加密系统中涉及的分数傅里叶变换的阶数以及输入、输出尺度因子等也可作为密钥。这种加密方案安全性较高，抗噪性能也较好。此后涌现出各种改进方案，如基于级联分数傅里叶变换的光学图像加密系统、基于分数傅里叶变换的双图像加密方法、基于频谱切割的图像加密系统等，综合利用分数傅里叶变换和其他加密技术的加密算法更是层出不穷。

除了丰富的研究报道，国内外关于光学图像加密的专利申请也颇多，如Steenblick等的“光学图像加密和解密过程”，Gluckstad等的“光学加密和解密的方法及系统”，顾唯兵等的“实时光学图像加密方法和装置”，刘守等的“在像素全息图上加密的光学装置”等。

随着分数阶概念的推广，一些新的分数阶变换作为新的理论工具应用到图像加密当中。Linfei Chen等提出基于分数小波变换的图像加密方法，Jianhua Wu等提出基于分数余弦变换的图像加密方法，Daomu Zhao等提出基于重定义的分数哈特莱变换的图像加密方法等。利用这些分数阶变换固有的特殊性质，可提高或改善加密系统某些方面的性能。基于分数阶变换的图像加密技术发展空间很大，应用前景十分广阔。