一種基于雙隨機(jī)相位編碼的光學(xué)加密系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王彩玲,王洪偉,劉瑞香

(1.西安石油大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,陜西 西安 710065；2.中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)工程大學(xué),陜西 西安 710086)

·光電技術(shù)與系統(tǒng)·

一種基于雙隨機(jī)相位編碼的光學(xué)加密系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王彩玲1,王洪偉2,劉瑞香1

(1.西安石油大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,陜西 西安 710065；2.中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)工程大學(xué),陜西 西安 710086)

針對(duì)于有加密需求的監(jiān)控領(lǐng)域,圖像數(shù)據(jù)劇增對(duì)加密算法提出嚴(yán)峻考驗(yàn)。復(fù)雜的加解密算法將會(huì)增大運(yùn)算開支,最終影響視頻傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性能。本文根據(jù)視頻加解密要求,提出在視頻監(jiān)控領(lǐng)域進(jìn)行光學(xué)加解密并設(shè)計(jì)了基于雙隨機(jī)相位編碼的單通道加解密光學(xué)系統(tǒng)。該光學(xué)系統(tǒng)加解密速度和光速相等,加解密時(shí)耗幾乎為零,在高清視頻迅速普及的未來將會(huì)產(chǎn)生重要的應(yīng)用價(jià)值,在軍事加解密領(lǐng)域?qū)⒂兄鴱V闊的應(yīng)用前景。

光學(xué)加解密;雙隨機(jī)相位編碼;視頻加密;傅里葉變換

1 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)施基礎(chǔ)的日漸完善,網(wǎng)絡(luò)信息安全與國(guó)家安全、社會(huì)穩(wěn)定關(guān)聯(lián)越來越強(qiáng)。信息技術(shù)得到了廣泛運(yùn)用,舉足輕重的地位也日益凸顯[1]。同時(shí),信息通信的蓬勃發(fā)展也對(duì)信息安全提出了更高的要求。

近年來,信息通信中的圖像偵查技術(shù)在各行各業(yè)進(jìn)行了大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用,隨著軟硬件的快速發(fā)展,高清時(shí)代已經(jīng)來臨。目前視頻監(jiān)控圖像數(shù)據(jù)量越來越大,視頻監(jiān)控系統(tǒng)覆蓋面越來越廣，對(duì)圖像的辨識(shí)度的要求也越來越高,高清化成為了未來的一種發(fā)展趨勢(shì)[2]。但是由于監(jiān)控領(lǐng)域的某些加密需求,圖像數(shù)據(jù)量的增大將會(huì)對(duì)加密算法提出嚴(yán)峻的考驗(yàn),圖像尺寸的增大將會(huì)嚴(yán)重增加加密算法的開支以及加解密的運(yùn)算時(shí)間[3-5]，因此進(jìn)行快速有效地加解密算法的研究就成為了一項(xiàng)重要的研究方向。

本文根據(jù)視頻加密要求,提出在視頻監(jiān)控領(lǐng)域進(jìn)行光學(xué)加解密的思想,在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于雙隨機(jī)相位編碼的加密光學(xué)系統(tǒng)[6]，同時(shí)根據(jù)光路可逆原理就實(shí)現(xiàn)了光學(xué)解密。光加密的加解密速度和光速相等,因此在加解密系統(tǒng)中,將加解密時(shí)間降低為零,極大提高了視頻傳輸性能。在高清視頻迅速普及的未來將會(huì)產(chǎn)生重要的應(yīng)用價(jià)值,在軍事加解密領(lǐng)域?qū)⒂兄鴱V闊的應(yīng)用前景。

2 光學(xué)加解密系統(tǒng)介紹

光學(xué)加解密系統(tǒng)具有處理速度快,加密維度高、分辨率高等優(yōu)點(diǎn),因此基于光學(xué)信息處理的圖像加密技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。本系統(tǒng)經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)的傅里葉變換以及反變換并輔以兩個(gè)隨機(jī)相位板進(jìn)行加密,加密后的圖像接近均勻隨機(jī)噪聲,所以加密后的圖像在未知解密密鑰的情況下幾乎不可能恢復(fù)出原來的真實(shí)圖像。

光學(xué)加解密系統(tǒng)如圖1所示,目標(biāo)光線通過光學(xué)成像鏡頭成像后進(jìn)入光學(xué)加密鏡頭,加密后在CCD成像感光芯片上將加密后的光學(xué)成像記錄下來,并通過有線或者無線網(wǎng)絡(luò)傳輸出去。

圖1 光學(xué)加解密系統(tǒng)框圖

解密是其逆過程,將加密鏡頭倒置即可作為解密鏡頭使用。網(wǎng)絡(luò)傳輸回來的圖像經(jīng)過電光轉(zhuǎn)換后,經(jīng)過光學(xué)解密鏡頭在CCD成像芯片上成解密后的真實(shí)圖像,然后通過電腦服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ),并用終端設(shè)備將圖像予以顯示。

3 雙隨機(jī)相位編碼技術(shù)

為防止加密后的圖像被破譯,將加密后的圖像盡可能地趨于均勻的隨機(jī)噪聲,本文使用雙隨機(jī)相位編碼技術(shù),利用傅里葉變換將圖像變換到頻率域后進(jìn)行一次置亂,再利用傅里葉反變換,然后再進(jìn)行一次置亂,便可得到一幅接近于均勻噪聲的圖像。這就是雙隨機(jī)相位編碼技術(shù)[7-9]。

圖2 雙隨機(jī)相位編碼技術(shù)光學(xué)實(shí)現(xiàn)示意圖

該技術(shù)采用如圖2所示的4-f系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn):先把一塊隨機(jī)相位板放在光學(xué)系統(tǒng)的輸入位置,對(duì)圖像f(x,y)的空間信息進(jìn)行置亂后圖像變?yōu)閒′(x,y),然后經(jīng)傅里葉變換后變?yōu)間(x,y),然后再用一塊相位板對(duì)傅里葉變換后的頻譜圖像再進(jìn)行一次信息置亂圖像變?yōu)間′(x,y),然后再經(jīng)過一次傅里葉反變換得到統(tǒng)計(jì)特性隨時(shí)間平移不變化的平穩(wěn)白噪聲I(x,y)。f(x,y)既可以是振幅型的實(shí)函數(shù),也可以是經(jīng)過預(yù)編碼為相位型的虛函數(shù)。如果經(jīng)過預(yù)編碼的話,破譯將會(huì)更加困難,并能提高圖像解密的抗噪聲能力。

將隨機(jī)相位板中的p(x,y)與b(u,v)分別為[0,1]之間均勻分布的隨機(jī)數(shù)列,其中u,v分別為傅里葉空間坐標(biāo),則加密后的圖像可以表示為:

(1)

因?yàn)楣饴房赡?所以解密只是加密的逆過程。由于接收解密圖像時(shí)用的光強(qiáng)敏感器件,因此如果f(x,y)是實(shí)函數(shù),只需要傅里葉譜平面的加密密鑰的復(fù)共軛作為解密密鑰,而如果f(x,y)是虛函數(shù),則需要兩塊隨機(jī)相位板對(duì)應(yīng)的復(fù)共軛作為解密密鑰。

在光學(xué)加密中所使用的隨機(jī)相位板具有加密秘鑰的作用,所以要求其所具有的分辨率極高,在數(shù)平方毫米的面積上分布著上百萬個(gè)像素,因而密鑰空間非常大,在不得知密鑰相位分布的情況下,很難通過盲目反卷積運(yùn)算恢復(fù)加密圖像,因而該算法具有較高的安全性。

4 彩色圖像編碼

為了降低光學(xué)加密系統(tǒng)的體積以及成本,本文采用三色復(fù)合光柵對(duì)彩色圖像進(jìn)行分離,將彩色圖像分解成紅、綠、藍(lán)三個(gè)分量的灰度圖像。然后利用三色復(fù)合光柵將彩色圖像編碼成灰度圖像,從而只需對(duì)一路編碼后的圖像進(jìn)行光學(xué)加解密,簡(jiǎn)化了系統(tǒng)。

三色復(fù)合光柵是一種特殊的空間光調(diào)制器[10-11],由橫向、豎向、135°方向三個(gè)Ronchi子光柵疊加組成。目前利用計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)在一塊材料上即可制作。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。三個(gè)Ronchi子光柵能分別透過紅色、綠色、藍(lán)色,并對(duì)其進(jìn)行空間頻率調(diào)制,調(diào)制后衍射光波按子光柵的方向進(jìn)行傳播。從而使一級(jí)頻譜分別照射到各自的位置上,實(shí)現(xiàn)各衍射一級(jí)頻譜的分離。

圖3 三色光柵組成結(jié)構(gòu)

彩色圖像編碼的光學(xué)系統(tǒng)如圖4所示,用三色光柵對(duì)彩色圖像進(jìn)行灰度編碼,然后再進(jìn)入加密光學(xué)系統(tǒng)。

圖4 彩色圖像編碼光學(xué)系統(tǒng)

一副彩色圖像可以表示為:

fcolor(x,y)=fr(x,y)+fg(x,y)+fb(x,y)

(2)

其中,r、g、b分別表示為彩色圖像中的紅、綠、藍(lán)的分量。

三色復(fù)合光柵的透過量可以表示為:

g(x,y)=gr(x,y)+gg(x,y)+gb(x,y)

(3)

彩色圖像經(jīng)過三色復(fù)合光柵編碼后得到的灰度編碼可以表示為:

f(x,y)=fr(x,y)gr(x,y)+fg(x,y)gg(x,y)+fb(x,y)gb(x,y)

(4)

5 加解密系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)

光學(xué)加解密系統(tǒng)的核心是傅里葉變換透鏡組的設(shè)計(jì),其性能的好壞對(duì)光學(xué)加解密的結(jié)果將產(chǎn)生直接的影響。目前較為常用的有兩種傅里葉鏡組結(jié)構(gòu)主要由單組元型和雙遠(yuǎn)距型[12-13]。單組元結(jié)構(gòu)又包括單片型、雙分離或雙膠合,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低,但系統(tǒng)較長(zhǎng)、像質(zhì)差。雙遠(yuǎn)距型包括對(duì)稱型和非對(duì)稱型,其結(jié)構(gòu)緊湊、像質(zhì)較好,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高。鑒于此,本文使用雙遠(yuǎn)距型并結(jié)合光學(xué)加解密系統(tǒng)的實(shí)際需求,設(shè)計(jì)了傅里葉變換透鏡。

傅里葉變換透鏡的主要參數(shù)有相對(duì)孔徑、焦距和能處理的最高空間頻率Nmax相當(dāng)于分辨率。而傅里葉變換透鏡的最高空間分辨率Nmax必須大于圖像傳感器的最高空間頻率(ξmax,圖像傳感器的最高空間頻率由傳感器像元大小決定(即線對(duì)分辨率)。經(jīng)初步選型后初步確定使用三片式雙膠合透鏡作為初始結(jié)構(gòu),圖 5為所設(shè)計(jì)傅里葉透鏡的光路圖。

圖5 傅里葉鏡組光路圖

由于傅里葉變換透鏡是個(gè)小像差系統(tǒng),所以可以通過調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)、波相差(PTV)來評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。由圖 6可見傅里葉變換透鏡的各視場(chǎng)的傳遞函數(shù)曲線與衍射極限幾乎重合,并在在60 lp/mm處的MTF值達(dá)到了0.78以上。圖 7為系統(tǒng)的波前圖,由圖可見系統(tǒng)的PTV值為0.1519λ,小于瑞利判據(jù)的0.25λ標(biāo)準(zhǔn)。因此可以看出系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了較好的成像質(zhì)量。

圖6 調(diào)制傳遞函數(shù)MTF曲線

圖7 波前圖

傅里葉鏡組設(shè)計(jì)好之后,就可對(duì)整體加解密系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)了,光學(xué)加解密系統(tǒng)設(shè)計(jì)好之后光路圖如圖 8所示。光路經(jīng)過折疊之后系統(tǒng)體積相對(duì)緊湊。

圖8 光學(xué)加解密光學(xué)系統(tǒng)

6 模擬仿真結(jié)果分析

根據(jù)上述方法,在Matlab中進(jìn)行仿真計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如圖 9所示,其中圖 9(a)是一副大小為512×512一幅彩色圖像,圖 9(b)是將彩色圖像編碼后的圖像,圖 9(c)是編碼后圖像的頻譜圖像,圖 9(d)是采用雙隨機(jī)相位加密技術(shù)對(duì)圖 9(b)加密后的接近于白噪聲的圖片,圖 9(e)是解密后得到的編碼灰度圖像,圖 9(f)是解碼后的彩色圖像。

圖9 光學(xué)加解密仿真結(jié)果

由圖可見,經(jīng)過仿真計(jì)算,彩色圖像經(jīng)過編碼以及光學(xué)加解密之后圖像基本完全復(fù)原。

7 結(jié) 論

本文采用三色復(fù)合光柵編碼技術(shù)以及雙隨機(jī)相位加密技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)一個(gè)通道將彩色視頻圖像進(jìn)行加解密,簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、降低了制造成本、提高了系統(tǒng)適用性。由于光學(xué)加解密技術(shù)是在視頻鏈路的最前端以及最后端實(shí)現(xiàn)的,不涉及中間的編碼和傳輸,所以本系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)、具有通用性,并且對(duì)現(xiàn)有視頻鏈路改造簡(jiǎn)單。同時(shí)由于采用了兩個(gè)相位因子是隨機(jī)的相位板,在沒有掌握隨機(jī)相位板具體分布的情況下解密原圖像時(shí)相當(dāng)困難的,從而保證了視頻傳輸?shù)陌踩浴?/p>

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Optical encryption system design based on double random phase encoding

WANG Cai-ling1,WANG Hong-wei2,LIU Rui-xiang1

(1.The School of Computer Science Xi′an Shiyou Universicy,Xi′an 710065,China;2.Engineering University of APF,Xi′an 710086,China)

The increase of image data presents a serious challenge for the encryption algorithm in video surveillance.Complex encryption and decryption algorithm will increase the cost of calculation,which influences real-time performance of video transmission.In this paper,according to encryption and decryption requirements of the video,optical encryption and decryption is proposed in the field of video surveillance,and optical encryption and decryption system was designed based on double random phase encoding.The calculation speed of encryption and decryption is equal to the speed of light.Therefore,the spent time is almost equal to zero.The optical system will generate important value with the rapid popularity of high definition video and have broad application prospect in the domain of military encryption and decryption.

optical encryption and decryption;double random phase encoding;video encryption;Fourier transform

國(guó)家自然基金(No.41301382，41301480)資助。

王彩玲(1984-)，女，講師，博士，主要從事光學(xué)成像技術(shù)方面的研究。E-mail:azering@163.com

2014-10-09;

2014-11-04

1001-5078(2015)07-0834-05

TN29

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.07.022