[发明专利]彩色图像的双柱面随机相位编码加解密方法

说明书

本发明提出一种彩色图像的双柱面随机相位编码加解密方法，该方法包括彩色图像加密过程和解密过程。所述方法对彩色图像先转换RGB格式为单通道YCbCr4:2:0格式，然后改进经典的双随机相位编码加密技术，使用柱面相位板代替平面相位板，两次反射接力柱面衍射代替两次连续接力平面衍射，使用两步相移法成像，获得加密密文。解密时采用加密时的共轭相位板和正确的柱面衍射系统参数，进行可逆衍射，便可正确解密单通道图像，通过色彩空间变换，得到恢复的彩色图像。本发明采用单通道YCbCr4:2:0格式加密，降低了加密和传输的数据量，提高了加密效率；利用两次反射接力柱面衍射过程和逆向过程的非对称性，能极大地提高加密方法的安全性，特别是能抵御相位恢复方法的攻击。

一、技术领域

本发明涉及一种信息安全和信息光学技术领域，特别是彩色图像加密方法。

二、背景技术

双随机相位编码技术和光学干涉理论在彩色图像加密中的应用研究是近年来光学信息安全研究领域中的热点课题。1995年美国的P.Réfrégier和B.Javidi两位专家提出的双随机相位编码技术是光学理论在信息安全领域的重大运用，该技术已获得美国专利保护。但由于该系统存在着线性这一性质，系统的安全性存在极大的隐患。非对称加密方法是最近几年彩色图像加密领域出现的新热点，此类加密方法具有抵抗相位恢复方法攻击的能力。由于柱面计算全息的由内向外传播模型和由外向内传播模型可以看作为非对称的衍射过程，柱面衍射过程作为非对称加密，在彩色图像加密领域具有极大的潜力和优势。

三、发明内容

本发明针对上述双随机相位编码的加密技术由于线性性质导致的加密系统安全隐患，利用两次反射接力柱面衍射过程和逆向过程的非对称性，提出一种彩色图像的双柱面随机相位编码加解密方法，能极大地提高彩色图像加密的安全性，特别是能抵御相位恢复方法的攻击。该方法包括加密和解密两个过程分别如图1(a)和1(b)所示。本发明所述的加密过程由单通道变换模块，双柱面随机相位编码模块，和两步相移法成像模块来完成。所述的解密过程是加密过程的逆过程，由两步相移法重建模块，双柱面随机相位编码逆过程模块，和单通道逆变换模块来完成。

本发明所述的加密过程为：单通道变换模块将RGB彩色图像格式转换为有利于网络传输和压缩的YCbCr格式，对色度分量进行降低采样率的处理，得到YCbCr4:2:0格式，同时将YCbCr分量排列成一个扩展通道进行加密；双柱面随机相位编码模块改进了经典的双随机相位编码加密技术，使用柱面相位板代替平面相位板，两次反射接力柱面衍射代替两次连续接力平面衍射；两步相移法成像模块使用两步相移法成像，获得加密密文。

本发明所述的单通道变换模块由普通的计算机组成，该模块进行彩色图像的预处理和随机性板的生成，彩色图像的预处理过程如图2所示，分为两步：

第一步，将RGB的彩色图像转化为YCbCr空间，计算公式为：

第二步，将色度分量Cb和Cr的采样率在水平和垂直方向上各降低一半，变为YCbCr4∶2∶0格式。同时，将Cb和Cr分量垂直拼接，再与Y分量在水平方向拼接，形成单通道信号，输入到加密模块。

本发明所述的双柱面随机相位编码模块是由两次反射接力柱面衍射和分别位于输入面和第一个反射柱面的双柱面随机相位板组成，包括以下两步：

第一步，待加密的彩色图像转化为的单通道信号经过激光照明转化为物光波(u₀)，首先被位于第一个内反射柱面的第一个柱面随机相位板(M₁)编码，反射后结果记为u₁，经过一次距离为d₁、由外向内传播模型的柱面衍射，到达另一个外反射柱面，其波前记为u₂，具体计算过程表示为：