基于分数傅里叶变换的彩色图像加密技术研究

论文摘要

信息安全中的图像加密技术的研究是一项国际前沿课题,具有重要的学术价值,其研究成果可以直接应用到防伪与安全验证当中,不仅具有很强的应用价值以及广阔的发展前景,而且具有重大的社会和经济效益,同时可以推动我国信息科学在相关领域中的发展。日常生活中,我们接触到的大都是彩色图像,彩色图像更符合人类的直接感知。本文对分数傅里叶变换的理论,彩色图像的颜色模型和颜色变换进行了简单的介绍,并分析了现有的几种常见彩色图像加密技术。结合分数傅里叶变换提出了几种彩色图像单通道加密技术,主要的研究内容如下：1.提出了一种基于分数傅里叶变换和相位恢复算法的彩色图像加密技术,给出了相应的光学实现方法。我们可以将彩色图像的红绿蓝分量作为一幅联合图来处理,充分利用了光学信息处理系统的并行处理特性,达到了并行处理的目的。模拟实验验证了该方法的有效性,在少量的几次迭代后就可以找到非常好的近似精确解,并分析了该加密方法的安全性。2.提出了一种基于联合分数变换相关器和相位恢复算法的彩色图像加密技术,该技术采用了联合分数变换相关器结构,在分数频谱平面使用一个振幅型空间光调制器加上紧贴之后的一个相位型空间光调制器,可以达到对联合图同时进行处理的目的。模拟实验验证了该方法的可行性,算法的计算流程比较复杂,设计灵活性大,密钥空间大,在不知道相位密钥分布的情况下,很难通过盲目反卷积运算来恢复加密图像。该方法有一个不足之处,那就是输入面的相位分布和分数阶次P1对解密结果的作用不大,安全性主要依赖于分数频谱面相位分布和分数阶次P2,这在一定程度上降低了系统的安全性。3.针对上述方法进行改进,提出了一种基于联合分数变换相关器和相位恢复算法的全相位彩色图像加密技术,该技术通过一种非线性变换将联合分数功率谱转换为相位分布,使得频谱分布更加均匀化,很好的改善了分数频谱面相位分布和分数阶次P2占主导地位的情况。并且由于将联合分数功率谱转换成了相位分布,在分数频谱平面只需要一个相位型空间光调制器就可以满足解密条件,在保证安全性的前提下简化了系统,降低了系统的成本,同时也可以避免前一种方法在实际使用中当两个空间光调制器并排放置时,中间不可避免存在的空隙所带来的一些相位误差所引起解密图像质量降低的现象。4.目前的光学加密技术研究绝大部分采用计算机模拟的手段,采用光学实验手段研究的文献非常少见,这不利于光学加密技术的实用化,制约了光学加密技术的进一步发展。光学信息处理系统与计算机处理系统相比的优势在于其速度快、高度并行处理特性等,计算机处理系统是无法体现这些特性的,特别是在处理海量信息的时候,光学信息处理系统比计算机处理系统更能体现优越性。针对这种现状,我们提出了一种基于联合分数变换相关器的双随机相位彩色图像加密技术,并开展了实验研究。介绍了该加密系统的光路,以及光路中各器件参数的选择,通过相关的光学实验表明,该方法可以很好的实现单通道彩色图像加密。该方法使用光折变晶体材料来记录联合分数功率谱,作为加密结果。分数阶次不正确或者相位掩膜不正确都不能得到正确的原始图像,并且由于充分利用了分数傅里叶变换的平移可变性,解密的时候即使相位分布正确,如果位置有所平移也不能得到正确的原始图像,安全性高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 光学信息安全技术的发展背景
• 1.1.1 灰度图像光学加密技术的研究概况
• 1.1.2 彩色图像加密技术的研究概况
• 1.2 课题的研究目的和意义
• 1.3 本论文的主要内容及结构安排
• 第二章 光学彩色图像加密技术的理论基础
• 2.1 分数傅里叶变换
• 2.1.1 分数傅里叶变换的定义
• 2.1.2 分数傅里叶变换的几个基本性质
• 2.1.3 分数傅里叶变换的光学实现
• 2.2 彩色图像的基础理论
• 2.2.1 三基色原理
• 2.2.2 颜色模型及颜色变换
• 2.2.3 彩色图像在计算机里的表示方法
• 2.3 几种现有的典型的彩色图像加密技术
• 2.3.1 双随机相位彩色图像加密技术
• 2.3.2 三通道彩色图像加密技术
• 2.3.3 基于三色光栅的彩色图像加密技术
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于相位恢复算法的彩色图像加密
• 3.1 基于分数傅里叶变换的彩色图像加密技术
• 3.1.1 加密原理
• 3.1.2 解密原理
• 3.1.3 模拟实验与分析
• 3.2 基于联合分数变换相关器的彩色图像加密
• 3.2.1 加密原理
• 3.2.2 解密过程
• 3.2.3 模拟实验与分析
• 3.3 基于联合分数变换相关器的全相位彩色图像加密
• 3.3.1 加密原理
• 3.3.2 解密原理
• 3.3.3 模拟实验与分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于联合分数变换相关器彩色图像加密技术的光学实验研究
• 4.1 加密解密原理
• 4.2 光学图像加密实验系统
• 4.2.1 实验系统的光路
• 4.2.2 实验光路器件的选择
• 4.3 实验结果与分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢