近年来,光学图像加密技术因其高处理速度、高并行度,可以提供相位、振幅、偏振态、波长、空间频率等多种加密自由度而引起了人们的极大兴趣。Refregier等提出双随机相位编码方法^[1],在空域和频域对加密对象进行编码,并将输出平面得到的复振幅图像作为加密结果。双随机相位编码技术是光学信息加密领域中的经典技术,具有较高的安全性和鲁棒性,但也存在一些缺点,如系统对精度要求高,容偏能力低,加密结果为复振幅,不便于记录和传输等。研究人员深入研究了双随机相位编码方法并提出了许多改进的或者是新的加密方案。2004年,Situ等根据菲涅耳-夫琅和费衍射,提出了菲涅耳域双随机相位编码方法^[2],利用两次菲涅耳变换和两个随机相位模板对原图像进行双随机相位编码加密。该系统的光学加密解密装置和4f系统类似,但是不需要透镜,并且增加了密钥空间。分数傅里叶变换和Gyrator变换都是传统傅里叶变换的推广形式。基于分数傅里叶变换,研究人员提出了相应的双随机相位编码方法^[3]。其加密解密过程并没有增加光学元件,但增加了密钥空间,大大提高了系统的安全性。1993年,Lohmann深入研究光学分数傅里叶变换并给出了两种实现分数傅里叶变换的光学装置^[4]。2007年,Rodrigo等给出了Gyrator变换的积分定义形式^[5],并设计了一种Gyrator变换的光学实现装置^[6]。Gyrator变换的变换阶数可用作密钥,并且其变换阶数的改变也是通过绕光轴旋转透镜实现的,易于调节并减少了光轴校准带来的误差。

本文基于Gyrator变换提出了一种新的加密方法。原图像先经第一个随机相位函数扰乱后,再将其频域信息归一化后直接减去第二个随机相位函数,所得的频域信息经Gyrator变换后得到加密图像。该加密方法中,第二个随机相位函数作为密钥,Gyrator变换的变换角度作为解密密钥。该加密方法、加密过程直观,有较高的安全性。

1理论分析 1.1 Gyrator变换

Gyrator变换的二维函数定义为:

首先,设待加密图像为f(x,y),f(x,y)乘以随机相位函数r(x,y)后经傅里叶变换得到频域信息为:

然后,复函数f′(u,v)减去随机相位函数R(u,v)得到频域信息为:

最后,g(u,v)经过变换角度为α 的Gyrator变换得到最终的加密图像为:

图 1

Fig. 1

图 1 加密过程流程图 Fig. 1 Flow chart of the encryption process

解密过程简单直观,用方程表示为:

加密过程用数字的方法实现,解密过程可以用数字的方法实现也可以用光电混合系统实现,实现装置如图 2所示。图中,SLM1和SLM2为空间光调制器,GT为Gyrator变换的光学装置,半透半反棱镜、全反射镜、傅里叶透镜组成逆傅里叶变换的光学装置。 将SLM1加载为全息图E′(x,y),置于Gyrator变换的输入平面,经离轴的参考光照射后做变换角度为－α的Gyrator变换得到恢复的g(u,v)。将SLM1加载为随机相位函数R(u,v),R(u,v)与恢复的g(u,v)进行相关叠加。将叠加结果置于逆傅立叶变换的输入平面,最后,在逆傅里叶变换的输出平面用CCD接收得到解密图像。

图 2

Fig. 2

图 2 解密过程的光学装置 Fig. 2 Optical implementation of the decryption process

用MATLAB 7验证方法的正确性和有效性。原图像“Babara”像素为512×512,灰度值为0到256,如图 3(a)所示。加密过程中,原图像空域信息被扰乱后,其频域信息减去随机相位函数R(u,v),得到复函数g(u,v),图 3(b)为R(u,v)。取Gyrator变换的变换角度α为1.2,则得到的加密图像如图 3(c)所示。解密过程中,各个密钥都正确时,恢复所得的g(u,v)的实数部分如图 3(d)所示,R(u,v)与恢复的g(u,v)的叠加结果的实数部分如图 3(e)所示,在逆傅里叶的输出平面,用CCD接收到的解密图像如图 3(f)所示,可以看出,原始信息完全恢复。

图 3

Fig. 3

图 3 图像加密与解密仿真 Fig. 3 Simulations of encryption and decryption

用均方差误差(MSE)来计算原图像和解密图像的差别,用f(i,j)和f′(i,j)分别表示原图像和解密图像在(i,j)点的复振幅,用M×N表示图像的大小,则:

为研究各个密钥对系统抗攻击性能的影响,图 3(g)给出了相位密钥R(u,v)错误时的解密结果,MSE为7.541×10⁴,解密图像为噪声分布,无法得到原图像信息。图 3(h)为Gyrator变换的变换角度α错误时的解密结果,MSE为7.612×10⁴,无法得到原图像信息。通过直接观察及对MSE值分析可得:如果密钥R(u,v)和Gyrator变换的变换角度α有一个不正确,将无法恢复原图像,说明该方法具有较高的安全性。

为了通过原图像和解密图像的MSE值与Gyrator变换的变换角度α的偏离之间关系,研究该加密方法对α的敏感性。为此,改变α,使其变化区间为[1.1,1.3],步长为0.005。原图像和解密图像的MSE值随α的变化曲线如图 4所示。可以看出,稍微变换一点,就无法得到正确的解密图像,说明该加密系统对α的变化很敏感,具有较高的安全性。

图 4

Fig. 4

图 4 解密图像和原图像的MSE值随Gyrator变换角度的变化曲线 Fig. 4 Curve of the MSE values between decrypted image and original image when the Gyrator transform angel changes

本文基于傅里叶变换和Gyrator变换提出了一种图像加密方法。原图像的频域信息减去一个随机相位函数后经Gyrator变换得到加密图像,密钥为随机相位函数及Gyrator变换的变换角度,并设计了解密过程的光学装置。用计算机模拟得到了加密图像,并验证了所有参数正确时,才可以完全地恢复原图像。对于非法用户,由于没有正确的密钥,无法得到正确的解密图像。研究表明,解密图像对Gyrator变换的变换角度的敏感性很高,变换角度变化一点,就无法得到正确的解密图像。该加密系统具有良好的安全性。