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申请/专利权人：哈尔滨理工大学

摘要：本发明公开了一种基于压缩无干涉编码孔径相关全息术的彩色图像加密方法，涉及信息安全领域。本发明的主要过程包括彩色图像三个颜色通道各全息图的生成，对全息图进行数字域图像加密，以及用压缩无干涉编码孔径全息的方法解密，最后合成三个通道分量以重建原彩色图像。数字解密过程中使用压缩感知算法对逆置乱后的图像进行解密，通过运用两步迭代收缩阈值算法求解，提升了数据传输的效率，确保了图像重建质量。同时采用全变分算法抑制光学系统在生成全息图过程中产生的背景噪声，这使得重建图像具有更高的峰值信噪比。本发明还对密钥信息进行了降采样处理，从而有效降低了数据的复杂性，大大减少了密钥传输的数据量。

主权项：1.基于压缩无干涉编码孔径相关全息术的彩色图像加密方法，其特征在于，所述方法具体实现装置包括三种不同颜色波长的单色LED光源、第一透镜、彩色图像、第二透镜、偏振片、空间光调制器和图像传感器；所述方法包括如下步骤：S1，在无干涉编码孔径相关全息术I-COACHInterferencelessCodedApertureCorrelationHolography系统的光源处分别放置三个不同颜色波长的单色光源，即分为红、绿、蓝三个颜色通道，在每个颜色通道下，结合G-SGerchberg-Saxton算法生成两个不同的编码相位掩膜CPMCodedPhaseMask，并进一步生成两个不同的点扩散全息图PSHPointSpreadHologram；在所述I-COACH系统中，首先在物平面放置一个针孔，三个不同颜色波长的光源经过针孔后衍射到空间光调制器SLMSpatialLightModulator所在的平面。经过SLM上加载的CPM调制后，光束被图像传感器接收，本发明采用两个不同的CPM生成两个点扩散全息图；S2，将每个颜色通道中的两个不同点扩散全息图合成一个PSH，合成的PSH作为密钥之一，其公式描述为Hkx,y＝P1,kx,y-P2,kx,y其中：kk＝1,2,3为颜色通道的序号，x,y是图像传感器平面的平面坐标，Hkx,y是第k个颜色通道合成的PSH，P1,kx,y和P2,kx,y是在第k个颜色通道中使用两个不同CPM生成的点扩散全息图；S3，将彩色图像替换针孔，并在每个颜色通道中分别采用上述构造PSH时使用的两个不同CPM进行加密，每个颜色通道对图像进行两次加密，从而得到两个不同的加密图像，每个颜色通道的图像传感器接收到的两个加密图像的强度分布记为Oi,kx,y，其公式描述为Oi,kx,y＝Ikx,y*Pi.kx,y其中：ii＝1,2为CPM的序号，Oi,kx,y为不同颜色通道下的密文图像，Ikx,y为不同颜色通道下的原图像，*为卷积运算；为了方便计算，将其转换到频域进行计算，加密后的图像也可以描述为 其中：分别为Ikx,y和Pi.kx,y的傅里叶变换，F-1[·]为傅里叶逆变换；S4，分别将每个通道下两张不同的加密图像合成，得到三张全息图，公式表示为Okx,y＝O1,kx,y-O2,kx,y其中：Okx,y为不同颜色通道下最终得到的全息图；S5，基于混沌系统和DNA编码分别对三幅全息图进行置乱加密，得到每个颜色通道下最终的加密图像，加密过程主要包括以下步骤：S51:将图像的行列数都补成可以被分块大小整除的数，如果图像的行数或列数不能被分块数整除，则在图像的底部和右侧补零；S52:使用Logistic映射生成一个混沌序列，用于生成随机的加密密钥；Logistic映射是一种经典的混沌系统，其数学表达式为xn+1＝μ·xn·1-xn其中，nn＝1,2,3,…为迭代次数，xn是当前的混沌状态，xn+1是下一个混沌状态，μ是控制参数；Logistic映射的一个关键特性是，它可以在一个有限的空间内产生无限多的混沌序列。在图像加密中，使用Logistic映射来生成随机的加密密钥，这些密钥将用于控制后续的加密过程；S53:使用陈氏超混沌系统生成四个混沌序列，用于控制DNA编码和运算过程；陈氏混沌系统Chen为典型的混沌系统，其公式表示为 其中，a、b、c和d是系统参数，o、p、q和r是系统的四个状态变量；陈氏超混沌系统相对于一维的Logistic映射，具有更复杂的动力学行为，能够生成更加随机和难以预测的序列，在图像加密中，陈氏超混沌系统被用来生成多个混沌序列，这些序列将用于控制DNA编码和运算过程，混沌序列的值经过适当转换决定了原始图像和混沌图像的DNA编码方式，也确定了DNA运算和解码的方式；S54:对每个图像块进行DNA编码，即将图像块的像素值映射到四种不同的DNA碱基，DNA序列中碱基分别为腺嘌呤A、鸟嘌呤G、胞嘧啶C、胸腺嘧啶T；S55:对编码后的图像块进行DNA运算加、减和异或，这取决于陈氏超混沌系统生成的序列；S56:将每个块的加密结果与前一块的加密结果进行运算，实现扩散效应，进一步提高加密的安全性；S6，将每个颜色通道的加密图像分别按照相应的密钥算法进行逆置乱，恢复全息图，逆置乱使用与步骤S5相同的密钥和算法，按照相反的顺序进行操作，以恢复原始图像，逆置乱过程为：对加密后的图像块进行逆扩散操作；对每个块进行逆DNA运算，以恢复原始的DNA编码；对每个块进行DNA解码，以恢复原始的图像数据；使用陈氏超混沌系统生成的序列，按照逆过程操作，以恢复原始的图像块；使用Logistic映射生成的序列，按照逆过程操作，以恢复原始的图像块；如果加密过程中补了零，则在解密过程中去除这些零，以恢复原始的图像尺寸；S7，将S6得到的三张全息图分别用压缩无干涉编码孔径相关全息的方式进行重建，最终融合红、绿、蓝三个通道分量的估计值，重建出彩色图像；I-COACH系统在压缩感知框架下的传感模型，其公式表达如下 其中：和FT2D分别表示二维离散傅里叶变换矩阵和二维离散傅里叶反变换矩阵，FT2DOk表示为FT2Dμk，矩阵θ表示I-COACH全息图的重建过程； 其中：上式等号右侧表达式第一项为保真项、第二项为正则化项，τ＞0表示正则化参数；这个压缩重建问题可以表示为一个最优解问题，由两步迭代收缩阈值TwISTTwo-stepIterativeShrinkageThresholding算法解决，并且选择全变分TVTotalvariation算法来抑制重建图像的噪声，TwIST算法参数λTwIST＝0.005，迭代100次；TV正则化参数τTV＝0.04，TV降噪过程中的迭代次数设置为15次。

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