一种基于计算鬼成像的真正单通道彩图像加密方法
1.本发明属于光学彩图像加密领域。尤其涉及一种基于计算鬼成像的真正单通道彩图像加密方法。
背景技术：
2.在当今信息时代，每天都需要传输海量的数据，由此产生的信息安全问题也越来越突出。图像作为重要的信息载体，如何保证其安全传输成为研究热点。与计算机加密方法相比，光学图像加密技术因具有高速和多维数据处理能力而得到广泛应用。1995年，refregier和javidi在基于光学4f系统的基础上，首次提出了光学域的双随机相位编码(drpe)技术。随后，许多基于不同光学技术的加密方法被提出来，如菲涅耳域、分数傅里叶变换、波长复用、计算鬼成像、衍射成像和联合变换相关器架构。
3.上述方法大多不能直接用于对彩图像进行加密，因为在使用单光波照射彩图像时，颜信息会在加密或解密过程中丢失。然而，现实生活中使用的大部分图像都是彩的，因此对彩图像加密系统的研究极其重要。
4.目前，彩图像加密方法主要有两种，一种是多通道彩加密系统，即将彩明文图像分解为三个灰度图像(红、绿、蓝)，然后通过光学系统对三个灰度图像进行加密和解密。显然，这种方法相当于对三幅灰度图像分别进行加密，整个光学过程更加复杂且耗时。另一种方法是“单通道”彩图像加密方案，这些方法通常使用不同手段将彩图像分解所得三幅灰度图像再编码为一幅大的灰度图像，然后对编码后的灰度图像进行加密；或者在解密时使用相应的密钥从密文中提取彩图像的三个部分，再将它们组合成彩图像。我们认为这种“单通道”方案并不是真正的单通道加密方案，因为这些方案要求用户在加密前先将彩图像分离成三个灰度分量，或者在解密后再将三个解密灰度分量组合成一个彩图像，仍然会使整个过程变得非常复杂。因此，如何实现真正的单通道彩图像加密仍然是一个有意义的问题。
技术实现要素：
5.有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于计算鬼成像(cgi)的真正单通道彩图像加密方案，解决现有的彩加密过程复杂的问题。由于整个过程不需要将彩信息分别解密红、绿、蓝三通道图像，然后再进行组合成彩图像，因此称为真正单通道。
6.本发明的具体步骤如下：
7.加密过程:
8.步骤一：生成彩散斑密钥。若待加密的明文图像p大小为m
×n×
3，测量次数为图像像素数的3倍，则需要生成n＝m
×n×3×m×n×3×
3个随机数。在本方案中，我们采用一维logistic混沌映射产生n个随机数。
9.x
k+1
＝μxk(1-xk),k＝0,1,2,...
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
10.式(1)中，xk是迭代初始值，取值范围为0＜xk＜1，μ是系统参数，当3.5699456＜μ≤
4时，系统进入混沌状态，产生非周期的、不收敛的随机数。在本方案中，我们选取的迭代初始值xk＝0.3196，系统参数μ＝3.9999。
11.使用式(1)中的系统，产生n+1000个0到1的随机数，为了保证随机性，我们去掉前1000个，保留后面n个，然后将这些随机数映射到0-255之间，并将其组合为m
×n×3×
3个m
×n×
3大小尺寸的彩散斑图案ki，这些散斑图案即为加密系统的密钥。
12.步骤二：真实的单通道彩加密。将生成的彩散斑ki通过投影仪连续投射到待加密的彩图像p上，如图1所示。然后通过一个透镜将反射(投射)的光收集，并使用一个强度单像素探测器记录每次得到的光强值序列ci，组成密文数据c＝(c1,c2,...,ci,...,cn)。数学计算过程如下：
13.其中，α＝(α
r α
g αb)为桶探测器对红绿蓝三光的响应系数，在实验中可通过分别投射相同图案的红绿蓝三通道光测得。对于加密系统来说，也可作为额外的密钥使用。
14.解密过程:
15.对于密文数据c，通过式(3)求其平均值，然后与对应的密钥相乘后取平均值，即可恢复出原始明文图像数据如图2(d)所示，恢复过程如式(4)。如图2(d)所示，恢复过程如式(4)。
16.本发明具有如下有益效果：
17.(1)据我们所知，本发明是首个采用基于计算鬼成像的真正单通道彩图像加密方法，即在整个加密过程中均不需要对明文或密文图像进行拆解为红、绿、蓝三通道或组合。
18.(2)本发明的光学实验过程简单，易于实现。
19.(3)本发明的密钥由一维logistic混沌映射产生，密钥在传输过程中只需要传输系统参数和迭代初始值，密钥量小且敏感性强。
附图说明：
20.图1为本发明方法系统原理图。
21.图2中：(a)彩明文图像；(b)彩散斑密钥图案；(c)灰度密文图像；(d)解密后的彩明文图像；(e)ncc认证结果。
22.图3中：(a)和(b)是初始值xk有偏差δ＝10-16
时的解密彩明文图像和ncc结果；(c)和(d)是系统参数μ有偏差δ＝10-16
时的解密彩明文图像ncc结果。
23.图4是鲁棒性攻击结果。
24.图4(a)、(e)、(i)分别为在添加均值为0和方差为0.04的高斯噪声情况下的密文图像、解密图像和ncc认证结果。
25.图4(b)、(f)、(j)分别为在添加密度为0.1椒盐噪声情况下的密文图像、解密图像
和ncc认证结果。
26.图4(c)、(g)、(k)分别为在添加均值为0和方差为0.04散斑噪声情况下的密文图像、解密图像和ncc认证结果。
27.图4(d)、(h)、(l)分别为在裁剪10％情况下的密文图像、解密图像和ncc认证结果。
具体实施方式：
28.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施方式对本发明的一个具体实施例进行描述。
29.本例中使用64
×
64像素大小的彩“scu”图像作为待加密图像，如图2(a)；使用彩的cgi加密系统如图1。
30.彩散斑密钥的产生过程是在matlab2018a环境下实现。利用一维logistic混沌系统，迭代初始值和系统参数分别设置为xk＝0.3196,μ＝3.9999。通过迭代64
×
64
×3×
64
×
64
×3×
3+1000＝452984932次，产生452984932个0到1的随机数，我们选取后452984832个随机数，将其映射到0-255之间，并组合为64
×
64
×3×
3个64
×
64
×
3尺寸大小的彩随机散斑图案,如图2(b)。
31.加密过程：如图1所示，将所生成的彩散斑密钥的每个通道分别乘以已事先测得的探测器响应系数αr:αg:αb＝0.307:0.528:0.148，接着使用彩投影仪，依次将调制后的彩散斑密钥投射到待加密的彩物体上，然后使用汇聚透镜将反射的光强收集，并使用一个强度单像素探测器依次记录。
32.经过64
×
64
×3×
3次测量后，可以得到64
×
64
×3×
3个灰度值序列，即为加密系统的密文,如图2(c)，由于密文为灰度值序列，因此对于攻击者具有一定的欺骗性。
33.解密过程：解密过程需通过计算机实现，即利用二阶关联重建算法，首先计算出密文序列的平均值，然后利用式重建，结果如图2(d)所示。
34.在本发明中，使用峰值信噪比(psnr)和非线性相关系数(ncc)结果作为评价加密图像和原始加密图像质量相差程度的标准。
[0035][0036]
式(5)为psnr的计算公式，其中g
′
(x,y)表示解密图像，g(x,y)表示原始明文图像。x
×
y和k分别是图像的大小和灰度等级。
[0037][0038]
式(6)为ncc的计算公式，其中ft和ift分别表示傅里叶变换和傅里叶逆变换，β是非线性的强度。
[0039]
图2(d)为解密图像，其ncc结果如图2(e)所示。可以看出，解密图像与原始明文图像相关运算结果有一个尖锐的峰，即代表解密图像与原始加密图像具有很高的相似性，计算其psnr＝13.4448db。
[0040]
密钥敏感性测试：当任一个加密密钥发生δ＝10-16
的偏差时，解密图像及其与原
始加密明文图像的ncc结果如图3所示。可以看出，解密图像并未包含明文的任何信息，ncc结果为杂乱无章的分布。因此，本发明对密钥极其敏感。
[0041]
鲁棒性分析：如图4所示，分别对密文图像添加均值为0和方差为0.04的高斯噪声、密度为0.1的椒盐噪声、均值为0和方差为0.04的散斑噪声以及裁剪10％的部分，然后对其解密的结果。可以看出，解密后图像的psnr均在6.1db以上，ncc结果均为尖峰，证明本发明对鲁棒性攻击具有较强的抵抗力，即在密文图像传输过程中，如果遭受到噪声攻击或者部分信息被污染，仍能够解密出原始加密图像。
[0042]
相关系数分析：在本例中，分别从明文图像和密文图像中随机选取2000对相邻的像素，然后计算相邻像素的相关系数。表1给出了明文图像的红、绿和蓝通道及其平均值和密文图像在水平、垂直和对角线上的相关系数。
[0043]
表1彩明文图像和灰度密文图像中相邻两个像素的相关系数
[0044]
可见，彩明文图像三个颜通道的计算结果及其平均值均在0.74以上，而灰度密文图像则接近0，说明密文图像相邻两个像素点的相关性弱于明文图像。因此，本发明可以有效地抵抗统计分析攻击。
[0045]
以上所述仅为本发明的较佳施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：
1.一种基于计算鬼成像的真正单通道彩图像加密方法，其特征在于：包括彩图像的加密过程、彩密钥的生成过程和彩明文的解密过程；其中彩图像加密过程中不需要提前对明文进行数字化处理，而是直接将彩散斑密钥投射到物体上进行加密得到一系列的灰度值；密钥是由一维logistic混沌映射产生随机数，然后将随机数映射到0-255范围内，并组合为彩散斑密钥；解密过程直接使用彩密钥对所得到灰度密文进行解密，然后重建出彩明文图像；整个过程不需要将彩信息分别解密红、绿、蓝三通道图像，然后再进行组合成彩图像，因此称为真正单通道。2.如权利要求1所述的一种基于计算鬼成像的真正单通道彩图像加密方法，其特征在于，直接使用彩散斑密钥对物体图像加密：将一个彩明文图像表示为p＝[p
r p
g p
b
]，其大小为m
×
n
×
3；彩散斑密钥k，是由一系列的子密钥k1,k2,...,k
i
,...,k
n
(1≤i≤n)组成，n代表加密过程中的测量次数，其中每一个k
i
依然由三个大小为m
×
n的彩分量k
ir
,k
ig
和k
ib
组成；因此，每一次加密所得到的密文值c
i
表示为：其中，α＝[α
r
α
g
α
b
]代表桶探测器对红绿蓝三光的响应系数，在加密过程中作为额外的密钥，经过n次加密后，得到了一系列的灰度密文序列c＝(c1,c2,...,c
i
,...,c
n
)。3.如权利要求1所述的一种基于计算鬼成像的真正单通道彩图像加密方法，其特征在于，彩随机密钥是一维logistic混沌映射产生的随机数组合产生：对于m
×
n
×
3大小的彩明文图像，若测量次数是图像大小的三倍，则需要的随机数为m
×
n
×3×
m
×
n
×3×
3个；利用一维logistic混沌映射产生这些随机数，并将这些随机数映射到0-255范围内，然后组合为m
×
n
×3×
3个m
×
n
×
3大小的彩散斑图案作为密钥。4.如权利要求1所述的一种基于计算鬼成像的真正单通道彩图像加密方法，其特征在于，在解密过程中，直接利用彩散斑密钥去解密灰度密文c，然后获得解密的明文图像其中<
·
>代表取平均值，不需要分别解密出每一通道的图像然后进行组合为彩图像。
技术总结
本发明提出了一种基于计算鬼成像的真正单通道彩图像加密方法，属于光学图像加密领域。与目前已有彩图像加密方法相比，本发明没有将彩明文图像分解为红、绿、蓝三个灰度图像或将其通过其它方式编码为灰度图像进行加密，而是直接利用彩散斑生成的密钥进行加密。加密后的密文为灰度序列值，因此具有一定的伪装性。解密过程中也没有分别解密出红、绿、蓝每一通道的图像然后进行组合。此外，本发明中的光学装置简单且易于实现，彩密钥散斑由混沌系统生成，既保证了安全性，又减少了实际中所需的密钥传输量。中所需的密钥传输量。中所需的密钥传输量。
