[发明专利]基于混沌和相位恢复过程的单通道彩色图像加密方法

说明书

技术领域

本发明属于虚拟光学信息加密技术领域，涉及一种基于混沌和相位恢复过程的单通道彩色图像加密方法。

背景技术

近年来，随着互联网上非法数据的获取问题变得日益严重，越来越多的研究者将他们关注点转向图像信息安全。由于光学变换并行处理二维数据的高效性，光学图像加密已经成为一个重要的研究领域。在过去二十年中，研究者已经提出了许多基于各种变换域的图像加密算法，如分数傅里叶域、菲涅尔域、回转变换域。这些方法的主要缺点是使用单束光照射输入图片，使解密图像的彩色信息丢失。因此彩色图像加密已经成为一个严峻的问题，成为光学应用的难题。赵道木不仅提出了基于无透镜的菲涅尔变换全息图的彩色图像加密方法，而且提出了基于分数傅里叶变换的彩色图像编码和合成的方法，其中用到了波分复用技术和数字全息图。Madhusudan Joshi等提出了基于自然对数和分数傅里叶变换的非线性彩色图像加密方案。陈文等提出了基于阿诺德变换和干扰技术的光学彩色图像加密方法^[19]。刘正军等提出离散余弦变换域基于阿诺德变换和颜色混合操作的彩色图像加密方案，该方案中用阿诺德变换以像素顺序置乱彩色图像的三个通道，用离散余弦变换在整个空间分布上改变像素值。此外，Abuturab提出了基于联合扩展回转变换相关器的彩色信息安全系统，该系统可以抵抗已知明文攻击。Hwang Hone-Ene提出在菲涅尔域基于改进的Gerchberg–Saxton算法的彩色图像加密方案。

然而，上述讨论的算法都属于多通道加密，即将彩色图像的红绿蓝三个通道单独加密、解密，这样会使这些加密系统的复杂度提高。为了克服这个问题，研究者已经提出了各种基于单通道技术的彩色图像加密方案。刘红军和王兴元提出的加密方案中，先将M×N像素的彩色图像转换成M×3N的灰度图像，然后使用分段混沌映射产生的序列对该灰度图像实施位水平置乱，接下来将置乱后的图像分解成三部分，对该三部分分别使用Chen系统实现混淆、扩散。陈文提出基于彩色图像的索引图像的光学非对称加密系统，在该系统中用到了菲涅尔域的相位截断策略。周南润等提出了基于混沌映射和分数傅里叶变换的彩色图像加密方案，在该方案中，彩色图像先加密或解密成色相饱和磁化强度。此外，周南润等提出了基于实时存储的分数梅林变换非线性彩色图像加密算法，该算法中，密文是实时的，易于显示、传输、存储。邓晓鹏和赵道木提出了一个单通道非对称加密系统将一幅彩色图像加密成一个实值灰度密文，这样使得解密过程相当简单。上述算法都是基于单通道技术的彩色图像加密，虽然他们在一定程度上简化了加密过程，但依然存在密钥空间小、安全性低、收敛速度慢等问题。

近几年，基于混沌的图像加密已经用于光学通信中。混沌具有随机性和初值敏感性，将混沌应用到图像加密可以提高加密系统的安全性并扩大其密钥空间，所以越来越多的学者提出了基于混沌的图像加密。Singh and Sinha提出了基于分数傅里叶变换的图像加密，其中用到了logistic映射，tent映射和Kaplan-Yorke映射三种混沌函数来产生混沌随机相位掩码，而且，他们将此加密方案推广到回转变换域。刘红军和王兴元使用高维混沌映射来混淆和扩散彩色图像的三个通道。周南润等使用logistic映射来置乱加密的图像。Awad提出基于混沌的健壮的加密系统来安全的传输图像，用两个被扰乱的分段线性混沌映射来多次混淆和扩散每一个分块的像素。Seyed and Satta提出用耦合的两维非线性分段混沌映射来克服一维混沌映射密钥空间小、安全性低的缺点。

除此之外，各个域的相位恢复过程已经被广泛应用到光学图像的加密，如菲涅尔域、傅里叶域等。Alfalou和Mansour提出了两个安全层的加密方案，第一层用相位恢复过程来复用和同时加密目标图像，第二层用到了双随机相位系统来加密图像。王小刚和赵道木提出基于叠加原理和全息图的全相位图像加密方案，该方案将实值的原始图像加密成纯相位函数。邓晓鹏和赵道木提出使用傅里叶域相位恢复过程和相位调制的多图像加密方法，该方法完全避免了串扰噪声的影响。黄宏彦等提出菲涅尔域基于MGSA算法的多图像加密算法，该算法显著的减少了串扰噪声。张轩庭等提出基于MGSA的级联纯相位掩码的位置复用图像加密。上述算法对比可看出，傅里叶域相位恢复过程已完全避免了串扰噪声的影响。但其收敛速度慢。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于混沌和相位恢复过程的单通道彩色图像加密方法，解决现有技术部分存在的密钥空间小、安全性低、收敛速度慢、算法复杂的问题。