[發明專利]一種相空間中光學信號的加密方法

有效

• 申請號: 201410685173.1
• 申請日: 2014-11-25
• 公開（公告）號: CN105610569A
• 公開（公告）日: 2016-05-25
• 發明（設計）人: 柳軍;姚慶香;司徒國海;吳泉英;徐曉濱
• 申請（專利權）人: 蘇州科技學院
• 主分類號: H04L9/00
• 分類號: H04L9/00;H04K1/00;H04N1/44
• 代理公司: 蘇州創元專利商標事務所有限公司 32103
• 代理人: 陶海鋒

技術領域

本發明涉及光學信息安全技術領域，特別涉及一種相空間的光學信號加密方法。

背景技術

信息安全深刻影響著國家的安全、經濟發展和社會穩定，已經受到世界各國的普遍極度重視。光學信息安全技術憑借其具有并行處理數據的能力，多維設計自由度以及大容量的數據存儲優勢而倍受研究者們的青睞。

在光學信息安全技術領域的研究，大多數都是圍繞雙隨機相位編碼技術（DRPE）展開的，授予Javidi的美國專利US5903648、US6002773、US20020150242及US6519340都是基于該系統實現的，其具體實現系統如附圖1所示，把需要加密的原始圖像置于輸入面上，隨機相位板RPM1緊貼在輸入面上，在平行光照射下，輸入圖像接受RPM1的隨機相位調制，經過第一個光學透鏡L₁的傅里葉變換，到達傅里葉頻譜面，同時被另一塊隨機相位板RPM2的相位調制，再經過第二塊透鏡L₂的變換，在輸出面上得到振幅和相位均為白噪聲分布的加密圖像。

在加密過程中，兩塊隨機相位板PRMs是光學加密系統的核心器件，該器件能使入射光產生0～2π的隨機相位延遲，起到了加密密鑰的作用。原始圖像函數可以是振幅型實函數，也可以是把該振幅圖像預編碼為相位型虛函數，經過這樣的預編碼，不僅使破譯變得更困難，而且能夠提高解密圖像的抗噪聲能力。但是，這些主流的光學信息安全技術的線性特征，其明文、密文之間存在的較為簡單的函數關系導致了不可避免的安全隱患。Carnicer等人就針對DRPE系統提出了“選擇密文攻擊”方案，首次對光學圖像加密系統的安全性提出了質疑（A.Carnicer,M.Montes-Usategui,S.Arcos,etal.Vulnerabilitytochosen-cyphertextattacksofopticalencryptionschemesbasedondoublerandomphasekeys[J].OpticsLetters,2005,30(13):1644-1646.）。隨后，深圳大學彭翔課題組也提出了“選擇明文攻擊”和“已知明文攻擊”方案，其解密效果也對該系統的安全性提出了質疑（X.Peng,H.Z.Wei,P.Zhang.Chosen-plaintextattackonlenslessdouble-randomphaseencodingintheFresneldomain[J].OpticsLetters,2006,31(22):3261-3263.）。

發明內容

本發明的目的是針對傳統雙隨機相位編碼技術存在的線性弊端，提供一種密鑰空間大、安全性更好的相空間光學加密方法。

實現本發明目的的技術方案是：一種相空間中光學信號的加密方法，它基于雙隨機相位編碼光學加密系統，包括如下步驟：

1、對待處理光學信號進行預處理，先建立維格納函數：

；

再對得到的維格納函數進行傅里葉變換，得到對應的模糊函數：

；

2、以模糊函數為雙隨機相位編碼光學加密系統的輸入信號，采用雙隨機相位編碼方法對模糊函數進行加密處理，得到的白噪聲分布即為加密密文：

；

在步驟1和2中，表示空間域坐標，表示頻率域坐標，；表示坐標經傅里葉變換后相對應的坐標；分別表示雙隨機相位編碼加密系統輸入面和頻譜面上的調制相位，和分別表示傅里葉變換和傅里葉逆變換。

為實現相空間中的光學圖像加密，本發明引入維格納分布函數（WignerDistributionFunction，WDF），其原理是：該函數能夠實現信號在空域和頻域中的動態變換，并且同時描述信號在空域和頻域中的特性，是空間和頻率的函數。利用維格納分布函數的雙線性特性，對原始函數相應的模糊函數進行加密，對信號的恢復，只需提取模糊函數某一指定時刻的分布，經傅里葉變換即可恢復原來的信號。

對相空間中的光學圖像加密效果的驗證，可根據經典的GS（Gerchberg-Saxton）算法，對加密系統進行解密攻擊，通過MATLAB軟件的模擬，得到解密攻擊信號分布圖；也可以利用解密信號與原始信號之間的歸一化均方根（Normalizedroot-mean-square,NRMS）作為解密效果的客觀評判標準，其定義為：

，

其中，表示解密攻擊恢復出的信號分布。