[发明专利]基于相移压缩菲涅尔全息的三维图像光学重建方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于相移压缩菲涅尔全息的三维图像光学重建方法及系统，属于数据安全技术领域，包括利用随机相位掩膜对三维物体进行加密，通过对参考光进行三种不同相移，得到三幅不同的全息图；利用三步相移法从所述三幅不同的全息图中计算出物光场的复振幅；利用压缩菲涅尔全息法和密钥，从所述物光场的复振幅中重建出所述三维物体。本发明对加密得到的三维物体的全息图首先使用三步相移法计算出CCD成像探测器平面上的复杂的物光场，然后使用压缩菲涅尔全息技术和正确的密钥重建三维图像，有效的避免了平方场项与直流项的干扰，图像重建的可行性与优越性均优于传统方法。

技术领域

本发明涉及数据安全技术领域，特别涉及一种基于相移压缩菲涅尔全息的三维图像光学重建方法及系统。

背景技术

随着信息时代的高速发展，信息安全被更多的人所关注，其中图像安全在当前的很多领域中也变得越来越重要。图像安全包括很多方面，如图像加密、图像水印和图像隐藏等已广泛应用于许多领域，如军事、医疗、安防等方面。近年来，由于光学加密具有良好的并行特征及快速实现卷积与相关运算、处理速度快，且拥有振幅、相位等多个属性可以记录信息，与使用电子硬件设备相比具有很大的优势，光学信息安全性已成为了一个重要的研究课题。

然而在全光网络中进行信息的加密与隐藏时，存储或传输全息图所需的大量数据成为了限制光学信息安全性发展的主要因素。2006年，Donoho等人提出的压缩感知理论(compressed sensing,CS)打破了传统的Nyquist采样定理所要求的采样频率必须大于信号最高频率两倍的限制，通过采集少量测量即可精确的恢复出初始信号。将CS理论应用到光学信息加密中，极大地减少了存储或传输全息图所需的数据量，节约了大量资源，减小了传输的负荷，为光学信息加密的发展开辟了广阔的道路。

目前已经提出了许多基于CS的光学图像加密方法。例如2015年，Li等人提出了一种基于压缩全息相移(Compressive holography Phase-shifting,CHPS)法的单幅光学图像加密方法，首先在光学加密系统中引入相移，将激光束分为物光束与参考光束，物光束照射到用于加密的图像上，然后使用双随机相位编码(double random phase encoding,DRPE)技术通过两个随机相位掩模进行加密；对参考光束进行不同相移，得到物光场与不同相移的参考光场叠加产生的三幅全息图，接着从三种不同相移记录的全息图中利用压缩全息重建方法与正确的密钥恢复出三幅图像；最后，使用三步相移法从恢复的三幅图像中重建原始图像。同一年，Rawat等人提出了一种基于CS的多光谱双图像加密技术，首先对两幅多光谱图像使用Bayer滤镜进行欠采样处理，接着对其进行Arnold变换进行加密，接着使用DRPE方法分别在空间域与分数阶傅里叶域中进行加密，接着在数字微镜器件(digitalmicromirror device,DMD)上使用随机观测矩阵对其进行降维，传输到电荷耦合器件中进行传输存储，在解密过程中，逆Arnold变换、随机相位掩膜、分数阶与观测矩阵都起到密钥的作用，极大地提高了加密系统的安全性。2015年，Wan等人提出了基于改进的Mach-Zehnder干涉仪的多图像压缩全息算法，将多幅原始图像放置在距CCD摄像机不同距离的位置上，每幅图像都用随机相位掩模进行加密，将四步相移技术与全息记录过程相结合，图像之间相互加密，实现多幅图像的良好加密效果。

然而这些方法都仅针对二维图像，由于三维图像具有层次分明、直观性强、信息量大、生动形象等特点，将加密对象扩展为三维(three-dimensional,3D)物体，由于压缩全息成像过程中存在平方场项与直流项的干扰，通过模拟实验发现使用CHPS方法得到的重建效果并不理想。

发明内容

本发明的目的在于解决上述背景技术所述提出的问题，以提高三维图像加密的安全性与解密精度。

为实现以上目的，第一方面，本发明采用一种基于相移压缩菲涅尔全息(phase-shifting compressive Fresnel holography,PSCFH)的三维图像光学重建方法，包括如下步骤：