基于分数变换光学的图像编码和信息处理技术研究

论文摘要

光信息处理是光学中的一门新兴前沿学科,是信息科学的重要组成部分。我们研究的光信息编码与图像处理正是信息处理的重要研究内容之一,它在国家安全、个人信息防护、网络传输等各种安全保密领域有着广阔的应用前景,其研究成果可以直接应用到防伪和加密技术中。本论文在Javidi提出的基于4f系统的双随机相位编码原理的基础上结合分数变换光学和其他处理方法展开工作。针对现有研究状况,我们发现研究工作者通常利用单色激光束进行图像处理,这样就使得输出的图像失去了彩色信息,因此我们提出了基于三基色原理的彩色图像编码方法,并结合各种变换手段和加密技术增强了编码的安全性。进一步研究了彩色图像的相加、相减等其他处理方法。小波变换、小波包变换广泛应用于数字图像处理中,结合小波变换、小波包变换和分数傅立叶变换,提出了利用分数小波变换、分数小波包变换等进行图像编码,不仅提高了编码的安全性,还可以使得它们在数字和光学领域都能得到应用,目的是期望进一步将我们的研究成果应用到数字图像安全防护和信息防伪领域。全篇论文围绕着光学信息编码和图像处理这个主题,结合多种分数变换光学方法,主要开展了如下研究工作：第1章简要介绍了光学信息安全和信息处理的研究现状以及本论文的主要研究内容和已完成的工作,重点介绍本论文中所用的研究方法和基本理论,包括傅立叶变换、小波变换,分数傅立叶变换以及分数变换光学等,并对比较重要的快速傅立叶变换和离散分数傅立叶变换一些基本算法做了相应的介绍。第2章中,我们从分数傅立叶变换和维格纳分布函数的关系出发,将分数傅立叶变换用于空间滤波。在滤波过程中,将噪声模拟成啁啾函数或者它的线性叠加,并且准确地求出过滤的实际位置,还可以通过多次分数滤波来改善光束质量。最后结合数字处理方式,建立GUI(图形用户界面)窗口,可以实时快速地进行空间频率域噪声滤波。第3章中,简要介绍了Javidi提出的双随机相位编码原理和基于分数傅立叶变换的图像加密技术,提出了一种建立在光学哈特莱变换基础上的图像编码方法。哈特莱变换是一种实变换,使得模拟过程中的计算时间可以大大缩短。介绍了哈特莱变换编码的过程和需要注意的问题,给出了相应的计算机模拟结果并从图像本质上分析了编码的原理。第4章中,提出了基于分数小波变换和分数小波包变换的图像加密方法,从中结合小波变换、小波包变换和分数傅立叶变换的优势,还可以跟小波变换一样实现部分加密,但比小波变换、小波包变换更具灵活性,编码效果更好,安全性更高。提出了相应的可行性光学实现装置,并且利用数值模拟证明了这两种方法的有效性。第5章中,基于彩色图像三基色原理、菲涅耳变换全息和波长多路技术,我们提出了一种光学彩色图像编码的新方法,在编码过程中将彩色图像分解为红、绿、蓝三路,并且各自加密。各支路上的系统参数和随机相位板都是解密过程中的密钥,只有所有的密码都正确时才能恢复原始彩色图像。当只有某条支路上或某些密码正确时,不能恢复完全正确的彩色信息,图像的颜色会发生扭曲,人们往往会见到错误的彩色信息。我们设计了两种光学装置,一种是多通道纯光学装置,另一种是单通道光电装置,理论模拟结果证明了该方法的可行性。第6章中,建立在分数傅立叶变换和数字全息的基础上,提出了一种彩色图像加密合成技术。在三支路上,彩色信息利用分数傅立叶变换双随机相位原理进行各自加密,分数度和其他系统参数成了附加的密码。并利用二步相移干涉技术进行图像合成,合成后的彩色图像比原始图像更有意义更漂亮。最后提出了彩色图像加密合成方法。第7章中,基于分数傅立叶变换和小波变换提出了一种在双重分数小波域的彩色图像加密技术。根据三基色原理,图像被分解为三支路,在每条支路上图像由于小波变换被分解为几部分,每个部分用不同的相位板进行编码,这些密码可以分别保存在不同的位置或者由不同的人保管。只有所有人都出示正确密码时,整体的信息才能合成出来。在第二部分中我们运用三基色原理和光在介质中传输时的吸收透过特性分析了美国光学学会OPN杂志上的一个“光学迷题”,并用Matlab模拟了相应的结果。结果表明通过吸收和透过不同颜色的光波长可以实现彩色图像不同情景的改变,证明了三基色原理的实际应用价值。第8章总结已完成的工作和本论文的主要创新点,指出还存在的一些问题和对未来工作的展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 光学信息安全和信息处理的研究现状
• 1.1.1 光学信息安全和图像编码现状
• 1.1.2 信息处理研究现状
• 1.2 课题研究方法及基本理论
• 1.2.1 傅立叶变换
• 1.2.2 小波变换
• 1.2.3 分数傅立叶变换
• 1.2.4 分数变换光学
• 1.3 本论文研究内容及已完成的工作
• 参考文献
• 第2章 分数傅立叶变换在空间滤波中的应用
• 2.1 引言
• 2.2 维格纳分布函数和分数傅立叶变换
• 2.3 用透镜系统实现分数傅立叶变换
• 2.3.1 实现分数傅立叶变换的第一类基本单元
• 2.3.2 实现分数傅立叶变换的第二类基本单元
• 2.4 滤波原理
• 2.5 数值模拟实例
• 2.6 GUI编程
• 2.6.1 程序编写
• 2.6.2 软件使用
• 2.7 本章小结
• 参考文献
• 第3章 双随机相位编码原理和基于Hartley变换的图像加密技术
• 3.1 引言
• 3.2 基于4f系统的双随机相位编码技术
• 3.3 基于分数傅立叶变换系统的双随机相位编码技术
• 3.4 基于Hartley变换的图像编码技术
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第4章 分数小波变换和分数小波包变换在图像编码中的应用
• 4.1 引言
• 4.2 分数小波变换用于光学图像编码
• 4.2.1 基本原理
• 4.2.2 光学装置
• 4.2.3 数值模拟
• 4.3 分数小波包变换用于图像编码
• 4.3.1 小波包变换
• 4.3.2 分数小波包变换
• 4.3.3 计算模拟
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第5章 基于波长多路技术和无透镜菲涅耳变换的彩色图像编码技术
• 5.1 引言
• 5.2 利用波长多路技术进行彩色图像分解和处理
• 5.3 双随机相位加密和菲涅耳变换全息
• 5.4 基于菲涅耳全息的彩色图像加密技术
• 5.5 数值模拟和分析
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 第6章 基于分数傅立叶变换和数字全息技术的彩色信息处理
• 6.1 引言
• 6.2 随机相位编码和分数傅立叶变换全息
• 6.3 基于分数傅立叶全息和双随机相位原理的彩色图像编码
• 6.4 利用分数傅立叶数字全息和相移干涉技术进行图像相加相减
• 6.5 利用双随机相位原理和相移干涉技术在分数域进行彩色图像处理
• 6.6 本章小结
• 参考文献
• 第7章 结合随机相位原理的双重分数傅立叶小波域彩色图像编码
• 7.1 引言
• 7.2 结合随机相位原理的双重分数傅立叶小波域彩色图像编码
• 7.2.1 双重分数傅立叶小波变换域随机相位信息编码
• 7.2.2 分数傅立叶小波域彩色图像加密
• 7.3 对光学迷题"一扇窗,三个季节"的一种可能性解释
• 7.4 本章小结
• 参考文献
• 第8章 总结
• 8.1 工作总结和主要创新点
• 8.2 存在的问题和未来展望
• 附录Ⅰ 攻博期间参加的科研项目和获奖情况
• 附录Ⅱ 攻博期间完成的主要研究成果
• 致谢