[發明專利]基于分數階Fourier頻譜分解與混合隨機掩碼的光學加密方法

有效

• 申請號: 201910392392.3
• 申請日: 2019-05-10
• 公開（公告）號: CN110312053B
• 公開（公告）日: 2021-05-18
• 發明（設計）人: 潘良;溫建峰;趙艷春
• 申請（專利權）人: 南通理工學院
• 主分類號: H04N1/32
• 分類號: H04N1/32;H04L9/00;H04L9/06
• 代理公司: 蘇州華博知識產權代理有限公司 32232
• 代理人: 孫兵

本發明公開一種基于分階Fourier頻譜分解與混合隨機掩碼的光學加密方法，包括：構建混合隨機掩碼；根據分數階Fourier變換和混合隨機掩碼，對初始明文進行光學調制，得到Fourier頻譜；通過等膜分解法分割Fourier頻譜，得到并輸出密文和私鑰。本發明通過融合Fresnel波帶、Hilbert相位與混沌掩碼，實現了對光學圖像的加密，具備更理想的抗干擾能力與安全性，在噪聲、剪切等攻擊下，具有更為理想的解密質量。

技術領域

本發明涉及光學圖像加密領域，主要涉及一種基于分數階Fourier頻譜分解與混合隨機掩碼的光學加密方法。

背景技術

隨著全球化的趨勢發展，跨國、跨地域的交流也更為平常，與此同時，帶來的信息安全問題也較為嚴重，尤其是計互聯網的普及應用，導致用戶信息被竊取與泄露現象更為突出[1]。圖像具有包含了豐富的視覺內容，是當前各領域交流的常用介質，如醫學、安防和工業工程等領域[2]。然而，圖像在跨區域使用時，常需借助網絡來實現，此時，其易遭受未知攻擊，使得相關信息被肆意攻擊，給其內容的真偽辨別增加了困難[3]。為了確保接收端的圖像信息的真實性，國內外學者們設計了相應的圖像加密技術，目前被廣泛研究的加密方案主要分為2個方向：混沌加密與光學加密[4]。如Zhang等人[5]為了增強加密系統的抗明文攻擊能力，提出了一種基于混沌的明文相關圖像加密方法，通過利用明文特性來迭代分段線性映射所獲取的密鑰，對明文完成一次置亂，通過設計擴散函數，對置亂結果完成兩次擴散，高度改變像素值。Liu[6]為了優化加密密文的安全性，提出了基于位平面與改進的Logistic映射的圖像加密方法，利用迭代Logistic映射所輸出的混沌序列來置亂明文，并將置亂密文分解為高4位與低4位矩陣，利用低4位矩陣信息來迭代Logistic映射，輸出一組與明文密切相關的密鑰流，并聯合異或算子，對高4位矩陣信息完成擴散，通過組合加密后的高4位矩陣與初始的低4位矩陣來獲取加密結果。Li等人[7]為了增強加密系統的抗攻擊能力，提出了一種基于像素級和位級置換的超混沌圖像加密方法，利用迭代5D超混沌系統的輸出序列作為密鑰流，并構建像素級與位級置換方法，高度打亂明文的像素位置，同時，定義擴散方案，對混淆結果實施加密。

上述方法均屬于混沌加密范疇，此類方案有效利用了混沌系統的復雜相空間與隨機性，在一定程度上可改善圖像在開放網絡中的傳輸安全性，然而，混沌系統具有龐加萊恢復性，利用其輸出的序列來加密圖像，使其密文的安全性不理想[3-4]。近年來，光學加密因其具有并行性與高速等特性，得到廣大學者的研究，如張博等人[3]為了解決密文輪廓效應，設計了基于相干疊加與模均等矢量分解的光學圖像加密方法，利用明文與Logistic映射來生成混沌相位掩碼，通過Fourier變換對初始圖像完成調制，獲取相應的Fourier頻譜，聯合等模分解機制與相位-幅度截斷編碼技術，設計了單向編碼機制，通過激光束的相關疊加，輸出編碼密文與幅度信息，實驗結果驗證了其加密技術的抗攻擊能力。Wang等人[8]基于相位檢索方法，提出了一種新的非對稱光學圖像加密方案，通過迭代混沌系統的隨機序列來構建兩個相位掩碼，并通過檢索技術來加密明文，得到一個實值函數，測試數據驗證了其方案的可靠性與加密速度。Muhammad等人[97]為了提高密文的抗外部攻擊能力，提出Hartley變換耦合Gyrator變換的光學圖像加密技術，引入Hartley變換來預處理圖像，通過相位-幅度截斷機制，得到第一個密文，并聯合隨機掩碼，對此密文實施Gyrator變換處理，輸出相應的Gyrator頻譜，再利用相位-幅度截斷方法其完成分解，得到加密密文。

上述光學加密方案能夠增強密文的抗攻擊能力，但是，在調制明文過程中，均是采用了普通的混沌相位掩碼，這種掩碼其具有較高的隨機性，然而，在光學加密裝置中，無法解決光軸校準問題，使其密文安全性有待進一步提高。

參考文獻：

[1]肖寧，李愛軍.基于圓諧分量展開與Gyrator變換域相位檢索的光學圖像加密算法[J].電子測量與儀器學報，2017，31(6):876-884