[发明专利]彩色图像的双柱面随机相位编码加解密方法

摘要

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。

主权项

1.一种彩色图像的双柱面随机相位编码加解密方法，其特征在于，所述的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；该方法包括加密和解密两个过程，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；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；在加密过程中，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；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；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：u₁＝(u₀×M₁)^*，M₁＝exp(2πi×R₁)，u₂＝FrOIP(u₁，d₁)，其中R₁为随机相位矩阵，i为虚数单位，*表示共轭，即反射过程；FrOIP(·)表示由外向内传播模型的柱面衍射，计算公式为：其中(θ_R，z_R)和(θ_r，z_r)为内反射柱面和外反射柱面的角度和高度方向坐标，r、R为内外柱面的半径，C为常数，d为内外柱面上任意2点间的距离；第二步，衍射波前u₂被位于第二个外反射柱面的第二个柱面随机相位板(M₂)编码，反射后的光场记为u₃，经过一次距离为d₂、由内向外传播模型的柱面衍射，到达另一个柱面记录面，其波前记为u₄，计算具体过程表示为：u3＝(u2×M2)*，M2＝exp(2πi×R2)，u4＝FrOIP(u3，d1)，其中R2为随机相位矩阵，FrIOP(·)表示由内向外传播模型的柱面衍射，计算公式为：所述的两步相移法成像模块通过光探测器CCD获取衍射光波与两种参考光R₀和R₁形成的干涉条纹振幅，即全息图密文H₁和H₂，其计算方法是：H₁＝|R₀+u₄|²，H₂＝|R₁+u₄|²；在解密过程中，所述的两步相移法重建模块为光场u₄的重建过程，结果为u₄′， 具体过程为：先计算出干涉时的零级光I₀，具体计算公式为：并且满足条件2R₁≥max(|u₄|)+min(|u₄|)，则重建的光场u₄′为：所述的双柱面随机相位编码逆过程模块为单通道图像u₀的解密过程，结果为u₀′，具体过程是：重建的光场u₄′经过FrIOP(·)的逆衍射过程IFrIOP(·)，并被共轭相位板M₂*编码，然后经过FrOIP(·)的逆衍射过程IFrOIP(·)，并被共轭相位板M₁*编码，形成解密的图像u₀′，其计算过程为：所述的单通道逆变换模块为彩色图像的恢复过程，其中色度分量从4∶2∶0到4∶4∶4格式的恢复采用直接复制法，从YCbCr空间到RGB空间的变换公式为彩色图像解密完成。