[发明专利]一种基于3D阿诺德变换的单像素成像非对称加密方法

说明书

本发明提出一种基于3D阿诺德变换的单像素成像非对称加密方法，属于图像加密技术领域。所述方法包括：对单像素探测器采集的一维光强信号进行3D阿诺德变换，并对所述3D阿诺德变换的参数进行加密处理，经由公共信道传输经加密处理的所述3D阿诺德变换的参数；其中，所述加密处理的公钥和私钥通过椭圆曲线密码机制生成。

技术领域

本发明属于图像加密技术领域，尤其涉及一种基于3D阿诺德变换的单像素成像非对称加密方法。

背景技术

作为计算成像领域的研究前沿之一，单像素成像通过结构光照明或结构探测的方式，将对象场景的二维空间信息编码为一维光强信号序列，相比利用CCD、CMOS等阵列式探测器的传统光学成像技术，单像素成像有助于解决在非可见光波段成像、弱光成像、抗湍流成像等方面的成像难题，具有广泛的应用前景。

单像素成像由于其编码调制与计算解调制的特点可以直接实现降维采样，所得到的单像素探测值在传输时可以显著降低二维图像传输带来的硬件成本。同时，单像素成像被认为非常适合应用于对目标的加密上，这是因为目标场景经过编码调制后，单像素探测值信号呈现的形式就是一维无关的强度变化信号，而随时间变化的编码方式则可以认为是密钥，如果测量者直接将该信号传输给接收者却未告知密钥，接收者则很难直接基于一维信号重建出目标场景，因此，单像素成像机制天然具备加密的优势，同样有助于运用在信息安全领域。

单像素成像加密方法来源于关联成像相关研究。利用高度随机生成的随机矩阵对目标场景进行照射，可以得到完全没有规律的桶探测器值，可以直接将采用的一系列随机矩阵视为密钥，而桶探测器值可以视为密文，接收者在接收所有密文和密钥后，可以对目标场景进行解密。然而，此类方法虽然对单像素成像系统没有做任何的改变，但是密钥传输空间过大、线性加密效果不佳、易于被攻击，同时其解密图像质量下降巨大，难以在实际场景中进行应用。另一类单像素加密方法针对上述随机加密方法，将随机矩阵改变为正交基图案如Fourier基、Hadamard基或者小波基，利用正交基的单像素成像体制进行场景加密可以大大降低传统单像素成像密钥传输空间占用大、解密图像质量较低的问题，但是，这种基于正交基频谱反演的方法很容易因为窃密者对正交变换的了解而导致安全性大打折扣，这是因为其生成的单像素探测值信号排列过于规律，再结合一些先验知识，很容易将加密图像进行解密。因此，有一类加密方法是针对此类正交基图案进行置乱，即直接对照射到目标场景上的调制图案以一定的规则进行置乱，这将会使单像素探测器得到的探测值变得没有规律，一定程度上增强了单像素成像系统的安全性。然而，此类方法加密操作复杂，需要对每一幅照射图案进行操作，工作量和计算量极大，同时，设置不同的像素置乱规则也将对加密结果影响巨大，解密图像的质量也会极大地受到照明段设置的影响，严重影响单像素成像系统的安全性和解密图像效果。

发明内容

针对单像素成像加密传输过程中密钥传输空间大、线性加密效果不佳及易于被攻击的技术问题，本发明提出一种基于3D阿诺德变换的单像素成像非对称加密方法。

本发明公开了一种基于3D阿诺德变换的单像素成像非对称加密方法。所述方法包括：对单像素探测器采集的一维光强信号进行3D阿诺德变换，并对所述3D阿诺德变换的参数进行加密处理，经由公共信道传输经加密处理的所述3D阿诺德变换的参数；其中，所述加密处理的公钥和私钥通过椭圆曲线密码机制生成。

根据本发明第一方面的方法，对所述单像素探测器采集的一维光强信号进行所述3D阿诺德变换，具体包括：获取基于Hadamard基扫描单像素成像体制的一维向量形式的光强值，作为所述一维光强信号，将所述一维光强信号表征为二维差分光强矩阵和，利用如下公式分别对和进行所述3D阿诺德变换：

其中，和分别表示所述3D阿诺德变换前后同像素位置处的灰度值，()和()分别表示所述3D阿诺德变换前后光强矩阵中同一像素的坐标位置，表示所述一维光强值中的最大值，为光强矩阵维度，为变换控制参数。