一種基于計算鬼成像的真正單通道彩圖像加密方法
1.本發(fā)明屬于光學(xué)彩圖像加密領(lǐng)域。尤其涉及一種基于計算鬼成像的真正單通道彩圖像加密方法。
背景技術(shù)：
2.在當(dāng)今信息時代，每天都需要傳輸海量的數(shù)據(jù)，由此產(chǎn)生的信息安全問題也越來越突出。圖像作為重要的信息載體，如何保證其安全傳輸成為研究熱點。與計算機加密方法相比，光學(xué)圖像加密技術(shù)因具有高速和多維數(shù)據(jù)處理能力而得到廣泛應(yīng)用。1995年，refregier和javidi在基于光學(xué)4f系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，首次提出了光學(xué)域的雙隨機相位編碼(drpe)技術(shù)。隨后，許多基于不同光學(xué)技術(shù)的加密方法被提出來，如菲涅耳域、分?jǐn)?shù)傅里葉變換、波長復(fù)用、計算鬼成像、衍射成像和聯(lián)合變換相關(guān)器架構(gòu)。
3.上述方法大多不能直接用于對彩圖像進行加密，因為在使用單光波照射彩圖像時，顏信息會在加密或解密過程中丟失。然而，現(xiàn)實生活中使用的大部分圖像都是彩的，因此對彩圖像加密系統(tǒng)的研究極其重要。
4.目前，彩圖像加密方法主要有兩種，一種是多通道彩加密系統(tǒng)，即將彩明文圖像分解為三個灰度圖像(紅、綠、藍)，然后通過光學(xué)系統(tǒng)對三個灰度圖像進行加密和解密。顯然，這種方法相當(dāng)于對三幅灰度圖像分別進行加密，整個光學(xué)過程更加復(fù)雜且耗時。另一種方法是“單通道”彩圖像加密方案，這些方法通常使用不同手段將彩圖像分解所得三幅灰度圖像再編碼為一幅大的灰度圖像，然后對編碼后的灰度圖像進行加密；或者在解密時使用相應(yīng)的密鑰從密文中提取彩圖像的三個部分，再將它們組合成彩圖像。我們認為這種“單通道”方案并不是真正的單通道加密方案，因為這些方案要求用戶在加密前先將彩圖像分離成三個灰度分量，或者在解密后再將三個解密灰度分量組合成一個彩圖像，仍然會使整個過程變得非常復(fù)雜。因此，如何實現(xiàn)真正的單通道彩圖像加密仍然是一個有意義的問題。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
5.有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種基于計算鬼成像(cgi)的真正單通道彩圖像加密方案，解決現(xiàn)有的彩加密過程復(fù)雜的問題。由于整個過程不需要將彩信息分別解密紅、綠、藍三通道圖像，然后再進行組合成彩圖像，因此稱為真正單通道。
6.本發(fā)明的具體步驟如下：
7.加密過程:
8.步驟一：生成彩散斑密鑰。若待加密的明文圖像p大小為m
×n×
3，測量次數(shù)為圖像像素數(shù)的3倍，則需要生成n＝m
×n×3×m×n×3×
3個隨機數(shù)。在本方案中，我們采用一維logistic混沌映射產(chǎn)生n個隨機數(shù)。
9.x
k+1
＝μxk(1-xk),k＝0,1,2,...
??????????
(1)
10.式(1)中，xk是迭代初始值，取值范圍為0＜xk＜1，μ是系統(tǒng)參數(shù)，當(dāng)3.5699456＜μ≤
4時，系統(tǒng)進入混沌狀態(tài)，產(chǎn)生非周期的、不收斂的隨機數(shù)。在本方案中，我們選取的迭代初始值xk＝0.3196，系統(tǒng)參數(shù)μ＝3.9999。
11.使用式(1)中的系統(tǒng)，產(chǎn)生n+1000個0到1的隨機數(shù)，為了保證隨機性，我們?nèi)サ羟?000個，保留后面n個，然后將這些隨機數(shù)映射到0-255之間，并將其組合為m
×n×3×
3個m
×n×
3大小尺寸的彩散斑圖案ki，這些散斑圖案即為加密系統(tǒng)的密鑰。
12.步驟二：真實的單通道彩加密。將生成的彩散斑ki通過投影儀連續(xù)投射到待加密的彩圖像p上，如圖1所示。然后通過一個透鏡將反射(投射)的光收集，并使用一個強度單像素探測器記錄每次得到的光強值序列ci，組成密文數(shù)據(jù)c＝(c1,c2,...,ci,...,cn)。數(shù)學(xué)計算過程如下：
13.其中，α＝(α
r α
g αb)為桶探測器對紅綠藍三光的響應(yīng)系數(shù)，在實驗中可通過分別投射相同圖案的紅綠藍三通道光測得。對于加密系統(tǒng)來說，也可作為額外的密鑰使用。
14.解密過程:
15.對于密文數(shù)據(jù)c，通過式(3)求其平均值，然后與對應(yīng)的密鑰相乘后取平均值，即可恢復(fù)出原始明文圖像數(shù)據(jù)如圖2(d)所示，恢復(fù)過程如式(4)。如圖2(d)所示，恢復(fù)過程如式(4)。
16.本發(fā)明具有如下有益效果：
17.(1)據(jù)我們所知，本發(fā)明是首個采用基于計算鬼成像的真正單通道彩圖像加密方法，即在整個加密過程中均不需要對明文或密文圖像進行拆解為紅、綠、藍三通道或組合。
18.(2)本發(fā)明的光學(xué)實驗過程簡單，易于實現(xiàn)。
19.(3)本發(fā)明的密鑰由一維logistic混沌映射產(chǎn)生，密鑰在傳輸過程中只需要傳輸系統(tǒng)參數(shù)和迭代初始值，密鑰量小且敏感性強。
附圖說明：
20.圖1為本發(fā)明方法系統(tǒng)原理圖。
21.圖2中：(a)彩明文圖像；(b)彩散斑密鑰圖案；(c)灰度密文圖像；(d)解密后的彩明文圖像；(e)ncc認證結(jié)果。
22.圖3中：(a)和(b)是初始值xk有偏差δ＝10-16
時的解密彩明文圖像和ncc結(jié)果；(c)和(d)是系統(tǒng)參數(shù)μ有偏差δ＝10-16
時的解密彩明文圖像ncc結(jié)果。
23.圖4是魯棒性攻擊結(jié)果。
24.圖4(a)、(e)、(i)分別為在添加均值為0和方差為0.04的高斯噪聲情況下的密文圖像、解密圖像和ncc認證結(jié)果。
25.圖4(b)、(f)、(j)分別為在添加密度為0.1椒鹽噪聲情況下的密文圖像、解密圖像
和ncc認證結(jié)果。
26.圖4(c)、(g)、(k)分別為在添加均值為0和方差為0.04散斑噪聲情況下的密文圖像、解密圖像和ncc認證結(jié)果。
27.圖4(d)、(h)、(l)分別為在裁剪10％情況下的密文圖像、解密圖像和ncc認證結(jié)果。
具體實施方式：
28.為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明的一個具體實施例進行描述。
29.本例中使用64
×
64像素大小的彩“scu”圖像作為待加密圖像，如圖2(a)；使用彩的cgi加密系統(tǒng)如圖1。
30.彩散斑密鑰的產(chǎn)生過程是在matlab2018a環(huán)境下實現(xiàn)。利用一維logistic混沌系統(tǒng)，迭代初始值和系統(tǒng)參數(shù)分別設(shè)置為xk＝0.3196,μ＝3.9999。通過迭代64
×
64
×3×
64
×
64
×3×
3+1000＝452984932次，產(chǎn)生452984932個0到1的隨機數(shù)，我們選取后452984832個隨機數(shù)，將其映射到0-255之間，并組合為64
×
64
×3×
3個64
×
64
×
3尺寸大小的彩隨機散斑圖案,如圖2(b)。
31.加密過程：如圖1所示，將所生成的彩散斑密鑰的每個通道分別乘以已事先測得的探測器響應(yīng)系數(shù)αr:αg:αb＝0.307:0.528:0.148，接著使用彩投影儀，依次將調(diào)制后的彩散斑密鑰投射到待加密的彩物體上，然后使用匯聚透鏡將反射的光強收集，并使用一個強度單像素探測器依次記錄。
32.經(jīng)過64
×
64
×3×
3次測量后，可以得到64
×
64
×3×
3個灰度值序列，即為加密系統(tǒng)的密文,如圖2(c)，由于密文為灰度值序列，因此對于攻擊者具有一定的欺騙性。
33.解密過程：解密過程需通過計算機實現(xiàn)，即利用二階關(guān)聯(lián)重建算法，首先計算出密文序列的平均值，然后利用式重建，結(jié)果如圖2(d)所示。
34.在本發(fā)明中，使用峰值信噪比(psnr)和非線性相關(guān)系數(shù)(ncc)結(jié)果作為評價加密圖像和原始加密圖像質(zhì)量相差程度的標(biāo)準(zhǔn)。
[0035][0036]
式(5)為psnr的計算公式，其中g(shù)
′
(x,y)表示解密圖像，g(x,y)表示原始明文圖像。x
×
y和k分別是圖像的大小和灰度等級。
[0037][0038]
式(6)為ncc的計算公式，其中ft和ift分別表示傅里葉變換和傅里葉逆變換，β是非線性的強度。
[0039]
圖2(d)為解密圖像，其ncc結(jié)果如圖2(e)所示。可以看出，解密圖像與原始明文圖像相關(guān)運算結(jié)果有一個尖銳的峰，即代表解密圖像與原始加密圖像具有很高的相似性，計算其psnr＝13.4448db。
[0040]
密鑰敏感性測試：當(dāng)任一個加密密鑰發(fā)生δ＝10-16
的偏差時，解密圖像及其與原
始加密明文圖像的ncc結(jié)果如圖3所示。可以看出，解密圖像并未包含明文的任何信息，ncc結(jié)果為雜亂無章的分布。因此，本發(fā)明對密鑰極其敏感。
[0041]
魯棒性分析：如圖4所示，分別對密文圖像添加均值為0和方差為0.04的高斯噪聲、密度為0.1的椒鹽噪聲、均值為0和方差為0.04的散斑噪聲以及裁剪10％的部分，然后對其解密的結(jié)果。可以看出，解密后圖像的psnr均在6.1db以上，ncc結(jié)果均為尖峰，證明本發(fā)明對魯棒性攻擊具有較強的抵抗力，即在密文圖像傳輸過程中，如果遭受到噪聲攻擊或者部分信息被污染，仍能夠解密出原始加密圖像。
[0042]
相關(guān)系數(shù)分析：在本例中，分別從明文圖像和密文圖像中隨機選取2000對相鄰的像素，然后計算相鄰像素的相關(guān)系數(shù)。表1給出了明文圖像的紅、綠和藍通道及其平均值和密文圖像在水平、垂直和對角線上的相關(guān)系數(shù)。
[0043]
表1彩明文圖像和灰度密文圖像中相鄰兩個像素的相關(guān)系數(shù)
[0044]
可見，彩明文圖像三個顏通道的計算結(jié)果及其平均值均在0.74以上，而灰度密文圖像則接近0，說明密文圖像相鄰兩個像素點的相關(guān)性弱于明文圖像。因此，本發(fā)明可以有效地抵抗統(tǒng)計分析攻擊。
[0045]
以上所述僅為本發(fā)明的較佳施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
技術(shù)特征：
1.一種基于計算鬼成像的真正單通道彩圖像加密方法，其特征在于：包括彩圖像的加密過程、彩密鑰的生成過程和彩明文的解密過程；其中彩圖像加密過程中不需要提前對明文進行數(shù)字化處理，而是直接將彩散斑密鑰投射到物體上進行加密得到一系列的灰度值；密鑰是由一維logistic混沌映射產(chǎn)生隨機數(shù)，然后將隨機數(shù)映射到0-255范圍內(nèi)，并組合為彩散斑密鑰；解密過程直接使用彩密鑰對所得到灰度密文進行解密，然后重建出彩明文圖像；整個過程不需要將彩信息分別解密紅、綠、藍三通道圖像，然后再進行組合成彩圖像，因此稱為真正單通道。2.如權(quán)利要求1所述的一種基于計算鬼成像的真正單通道彩圖像加密方法，其特征在于，直接使用彩散斑密鑰對物體圖像加密：將一個彩明文圖像表示為p＝[p
r p
g p
b
]，其大小為m
×
n
×
3；彩散斑密鑰k，是由一系列的子密鑰k1,k2,...,k
i
,...,k
n
(1≤i≤n)組成，n代表加密過程中的測量次數(shù)，其中每一個k
i
依然由三個大小為m
×
n的彩分量k
ir
,k
ig
和k
ib
組成；因此，每一次加密所得到的密文值c
i
表示為：其中，α＝[α
r
α
g
α
b
]代表桶探測器對紅綠藍三光的響應(yīng)系數(shù)，在加密過程中作為額外的密鑰，經(jīng)過n次加密后，得到了一系列的灰度密文序列c＝(c1,c2,...,c
i
,...,c
n
)。3.如權(quán)利要求1所述的一種基于計算鬼成像的真正單通道彩圖像加密方法，其特征在于，彩隨機密鑰是一維logistic混沌映射產(chǎn)生的隨機數(shù)組合產(chǎn)生：對于m
×
n
×
3大小的彩明文圖像，若測量次數(shù)是圖像大小的三倍，則需要的隨機數(shù)為m
×
n
×3×
m
×
n
×3×
3個；利用一維logistic混沌映射產(chǎn)生這些隨機數(shù)，并將這些隨機數(shù)映射到0-255范圍內(nèi)，然后組合為m
×
n
×3×
3個m
×
n
×
3大小的彩散斑圖案作為密鑰。4.如權(quán)利要求1所述的一種基于計算鬼成像的真正單通道彩圖像加密方法，其特征在于，在解密過程中，直接利用彩散斑密鑰去解密灰度密文c，然后獲得解密的明文圖像其中<
·
>代表取平均值，不需要分別解密出每一通道的圖像然后進行組合為彩圖像。
技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出了一種基于計算鬼成像的真正單通道彩圖像加密方法，屬于光學(xué)圖像加密領(lǐng)域。與目前已有彩圖像加密方法相比，本發(fā)明沒有將彩明文圖像分解為紅、綠、藍三個灰度圖像或?qū)⑵渫ㄟ^其它方式編碼為灰度圖像進行加密，而是直接利用彩散斑生成的密鑰進行加密。加密后的密文為灰度序列值，因此具有一定的偽裝性。解密過程中也沒有分別解密出紅、綠、藍每一通道的圖像然后進行組合。此外，本發(fā)明中的光學(xué)裝置簡單且易于實現(xiàn)，彩密鑰散斑由混沌系統(tǒng)生成，既保證了安全性，又減少了實際中所需的密鑰傳輸量。中所需的密鑰傳輸量。中所需的密鑰傳輸量。
