首页 > 心得体会 > 学习材料 / 正文
基于矢量分解和双随机相位编码的图像加密系统
2023-02-20 16:15:13 ℃窦帅风,马静
(中国人民解放军61932部队,北京 100166)
随着技术的发展,当今社会所需处理的信息量呈爆炸式增长。光学加密作为光学信息处理的一部分,以其多维加密自由度和高速并行处理等优势,受到了广泛关注。自从双随机相位编码(double random phase encoding, DRPE)方法[1]被提出以来,研究者对光学加密进行了深入的研究,多种光学加密方法被提出,如基于联合变换相关器的加密系统[2]、非对称加密系统[3]、基于衍射成像的加密系统[4]、非相干加密系统[5]及基于相移干涉的加密系统[6]等。
双随机相位编码作为具有代表性的一种光学加密方法,其基于4-f系统,通过使用两个随机相位模板,能够将原始图像加密为白噪声密文。研究者对双随机相位编码加密系统的特性进行了研究[7-10],并将双随机相位编码从傅里叶域拓展至分数阶傅里叶域[11,12]、菲涅耳域[13,14]及Gyrator域[15]。在双随机相位编码的基础上,结合数字全息、压缩感知、信息隐藏等其它相关技术,新的加密方法也被提出[16-26]。
随着对光学加密的研究,一些针对光学加密的攻击方法也被提出,例如唯密文攻击[27,28]、已知明文攻击[29]和选择明文攻击[30,31]等,攻击者通过这些方法可以获得原始图像或密钥等信息。为了增强加密系统的安全性,文献[32]使用相位恢复算法,并使用指纹作为密钥,对图像进行加密;
文献[33]利用混沌映射以增强系统的安全性;
文献[34]利用振幅和相位截断,提出了一种非对称加密系统。
本文基于矢量分解和双随机相位编码,设计了一种光学加密系统,通过矢量分解增加了一个密钥,拓展了系统的密钥空间。加密系统具有较好的加密和解密效果,并具有较高的安全性。
2.1 矢量分解
令g(x,y)表示归一化的原始图像,通过矢量分解可将原始图像g(x,y)在复平面上分解为两个相位模板g1(x,y)和g2(x,y)。如图1所示,Re和Im分别表示实部和虚部,虚线圆表示单位圆,且
图1 矢量分解示意图
(1)
其中r(x,y)是[0,1)区间中均匀分布的随机序列,即g2(x,y)是随机相位模板。令
α(x,y)=2arccos[g1/2(x,y)],
(2)
则
|U(x,y)|2=|g1(x,y)+g2(x,y)|2=4g(x,y),
(3)
即
g(x,y)=|g1(x,y)+g2(x,y)|2/4,
(4)
2.2 图像加密
图像加密系统如图2所示,与双随机相位编码不同的是,待加密图像是矢量分解得到的相位模板g1(x,y),而非原始图像g(x,y)。相位模板g1(x,y)位于透镜L1的前焦面x-y上,随机相位模板k(x1,y1)作为密钥模板位于透镜L1的后焦面x1-y1上。当入射光波是波长为λ的单色平面波时,在透镜L2的后焦面可得到密文
图2 图像加密系统示意图
e(x,y)=IF{F{g1(x,y)}k(x1,y1)},
(5)
其中F{⋅}和IF{⋅}分别表示傅里叶变换及逆傅里叶变换。
2.3 图像解密
图像解密系统如图3所示,解密时需同时拥有密钥k(x1,y1)和密钥g2(x,y)。密文e(x,y)位于透镜L1的前焦面x-y上,解密密钥k*(x1,y1)是加密密钥k(x1,y1)的共轭相位模板,并位于透镜L1的后焦面x1-y1上。在波长为λ的单色平面波的照射下,在透镜L2的后焦面x-y上,可得到解密光束的复振幅分布为
图3 图像解密系统示意图(BS, 分光棱镜)
o(x,y)=IF{F{e(x,y)}k*(x,y)}
=g1(x,y),
(6)
其中上标*表示共轭。
解密光束o(x,y)通过分光棱镜BS后,与经密钥模板g2(x,y)调制的光束相干叠加,所得光场的强度分布可用CCD相机记录,即
=4g(x,y),
(7)
也就是解密得到的原始图像g(x,y)。
3.1 加密及解密效果
为验证加密系统的加密及解密效果,对图4(a)所示的原始图像g(x,y)进行加密,原始图像的尺寸为400×400像素。通过矢量分解可将g(x,y)分解为相位模板g1(x,y)和密钥相位模板g2(x,y),分别如图4(b)和图4(c)所示。另一密钥相位模板k(x1,y1)如图4(d)所示。通过加密系统得到的密文e(x,y)如图5(a)所示,可以看出密文呈噪声状,成功实现了图像加密。当使用k(x1,y1)的共轭相位模板k*(x1,y1)及密钥模板g2(x,y)对密文进行解密时,所得解密图像如图5(b)所示,可以看出成功地恢复出了原始图像。
用相关系数(correlation coefficient)CC定量评价图像解密效果,
(8)
其中g′表示解密图像,g表示原始图像,(i,j)表示图像像素的坐标。CC表示解密图像与原始图像之间的相似程度,其值越接近1,图像解密效果越好。计算图5(b)所示的解密图像与图4(a)所示的原始图像之间的相关系数得到CC=1.0,系统具有较好的解密效果。
图4 原始图像及密钥模板。(a)原始图像g(x,y);(b)相位模板g1(x,y);(c)密钥相位模板g2(x,y);(d)密钥相位模板k(x1,y1)
相较于双随机相位编码系统,文中加密系统通过矢量分解增加了一个密钥相位模板g2(x,y)。解密过程中,密钥模板k(x1,y1)或g2(x,y)错误时,系统的解密效果如图6所示,图6(a)和图6(b)是两个随机生成的相位模板,分别表示错误密钥k′(x1,y1)和错误密钥g2′(x,y)。当使用错误密钥k′(x1,y1)和正确密钥g2(x,y)对图5(a)中的密文解密时,解密图像如图6(c)所示;
当使用正确密钥k(x1,y1)和错误密钥g2′(x,y)解密时,解密图像如图6(d)所示;
当使用错误密钥k′(x1,y1)和错误密钥g2′(x,y)解密时,解密图像如图6(e)所示。可以看出,图6(c)-6(e)中的解密结果均未能恢复出原始图像,即只有当两个密钥全部正确时才能成功解密出原始图像。因此,通过矢量分解增加了系统密钥,拓展了系统密钥空间。
图5 加密及解密效果。(a)密文e(x,y);(b)解密图像
图6 密钥错误时的解密效果。(a)错误密钥k′(x1,y1);(b)错误密钥g2′(x,y);(c)使用k′(x1,y1)时的解密图像;(d)使用g2′(x,y)时的解密图像;(e)使用k′(x1,y1)和g2′(x,y)时的解密图像
3.2 抗攻击能力分析
首先对加密系统的抗噪声攻击能力进行分析。对图5(a)中的密文e(x,y)叠加不同强度的随机噪声,并对密文进行解密。所叠加的噪声是分布于[-0.5,0.5]区间的均值为0的均匀随机噪声,并用均方根差(root mean squared error)RMSE来描述所叠加的均匀随机噪声的强度,表示为
(9)
密文被叠加不同强度的噪声时的解密效果如图7所示,其中横轴为噪声的RMSE,纵轴为解密图像与原始图像之间的相关系数CC。可以看出,系统具有较好的解密效果,即使RMSE达到0.45时,解密图像仍然具有较高的CC值(0.815)。因此,加密系统具有较强的抗噪声攻击能力。
图7 解密图像CC与噪声RMSE关系曲线
对加密系统的抗剪切攻击能力进行分析。如图8所示对图5(a)中的密文e(x,y)进行剪切,并对密文进行解密。当密文被剪切为不同面积时的解密效果如图9所示,其中横轴为密文被剪切的面积百分比,纵轴为解密图像与原始图像之间的相关系数CC。可以看出,密文被剪切部分达到25%时,仍然能够较好地从密文中恢复出原始图像,具有较好的解密效果,因此,加密系统具有较强的抗剪切攻击能力。
图8 密文剪切示意图
图9 解密图像CC与密文剪切面积关系曲线
对加密系统的抗穷举攻击能力进行分析。图4(c)和图4(d)中的密钥相位模板g2(x,y)与k(x1,y1)的尺寸均为400×400像素,且密钥相位模板的位深为8位,即每个像素均有28=256阶相位值。密钥相位模板g2(x,y)与k(x1,y1)完全独立,因此,加密系统具有256400×400×2=256320000种密钥组合,即加密系统具有极大的密钥空间,因而对加密系统进行穷举攻击是不现实的,即加密系统具有抗穷举攻击能力。
对于唯密文攻击[27, 28],其利用相位恢复算法恢复出原始图像。在本文加密系统中,原始图像本身并不直接参与加密,而是被分解为两个相位模板。即使通过相位恢复算法恢复出相位模板g1(x,y),但由于无法得到密钥模板g2(x,y),仍然无法恢复出原始图像。
对于已知明文攻击[29]和选择明文攻击[30,31],其目的是通过已知或特定的明文-密文对恢复出密钥,并用于其它密文的解密。而由于密钥模板g2(x,y)并不参与图像的加密过程,即使通过攻击恢复出密钥模板k(x1,y1),但由于攻击者无法得知密钥模板g2(x,y),因此也无法从密文中解密出原始图像。
将矢量分解与双随机相位编码相结合,设计了一种光学图像加密系统。通过矢量分解将原始图像分解为两个随机相位模板,其中一个作为密钥,拓展了系统的密钥空间。通过矢量分解破坏了加密系统的线性性,增强了系统安全性,加密系统能够抵御唯密文攻击、已知明文攻击及选择明文攻击。
猜你喜欢 密文解密矢量 一种支持动态更新的可排名密文搜索方案黑龙江大学自然科学学报(2022年1期)2022-03-29基于模糊数学的通信网络密文信息差错恢复计算机仿真(2021年10期)2021-11-19一种适用于高轨空间的GNSS矢量跟踪方案设计北京航空航天大学学报(2021年9期)2021-11-02矢量三角形法的应用中学生数理化·高一版(2021年11期)2021-09-05炫词解密阅读(快乐英语高年级)(2021年4期)2021-07-11解密“一包三改”少先队活动(2020年9期)2020-12-17基于网络报文流量的协议密文分析方法网络安全技术与应用(2020年11期)2020-11-14密钥共享下跨用户密文数据去重挖掘方法*沈阳工业大学学报(2020年2期)2020-04-11炫词解密阅读(快乐英语高年级)(2020年8期)2020-01-08炫词解密阅读(快乐英语高年级)(2020年10期)2020-01-08猜你喜欢
- 2024-01-20 有关于第五次全国经济普查统计重点业务综合培训大会上讲话(完整文档)
- 2024-01-20 “严纪律、转作风、保安全、树形象”专题学习教育活动通知(完整文档)
- 2024-01-20 2024XX区住房城乡建设工作情况汇报
- 2024-01-20 2024高校思政教育交流材料:善用反腐败斗争这堂“大思政课”(精选文档)
- 2024-01-20 2024年主题教育专题党课辅导报告,(4)
- 2024-01-20 关于赴某地学习考察地方立法工作情况报告(范文推荐)
- 2024-01-20 2024年度关于增强党建带团建工作实效对策与建议(精选文档)
- 2024-01-20 教师演讲稿:春风化雨育桃李,,潜心耕耘满芬芳(全文)
- 2024-01-20 主题教育第二阶段来了
- 2024-01-20 2024年度关于到信访局实践锻炼个人总结【完整版】
- 搜索
-
- 打赌输了任人处理作文1000字7篇 05-12
- 当代大学生在全面建设社会主义现代化强 05-12
- 全面建成社会主义现代化强国的战略安排 03-10
- 个人廉洁自律方面存在的问题及整改措施 05-12
- 谈谈青年大学生在中国式现代化征程上的 05-12
- 2022年党支部第一议题会议记录(全文完 11-02
- 作为青年大学生如何肩负时代责任6篇 05-12
- 村党组织建设现状及工作亮点存在问题与 05-12
- 全面从严治党,自我革命重要论述研讨会 05-12
- 产业工人队伍建设改革(全文完整) 10-31
- 11-25国庆70周年庆典晚会 庆典晚会串词
- 11-25办公室礼仪的十大原则 浅谈办公室的电话礼仪
- 01-17用心灵轻轻地歌唱_心灵的歌唱
- 01-17也许你不是我一生的唯一|也许不是我
- 01-17爱了,请珍惜;不爱,趁早放手|爱就珍惜不爱就放手
- 01-17岁月带走的是记忆,但回忆会越来越清晰|有趣又有深意的句子
- 01-17曾经的美好只是曾经,我只想珍惜身边的人|我只想珍惜你
- 01-18从容不惊 [学会笑眼去看世界,不惊不乍,淡定从容]
- 02-03当代大学生学习态度调查报告
- 02-03常用护患英语会话
- 标签列表