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摘 要： 摘要:針對光學圖像加密系統容易受到攻擊以及噪音干擾導致密鑰易被破解，以及存在輸出圖像質量差的缺陷，研究光學圖像加密系統及其消噪和抗攻擊特性，通過螺旋相位掩碼解決光學圖像加密系統光軸校準問題，將奇異值分解方法與Gyrator變換方法相結合，利用所獲取螺旋相位
摘要:針對光學圖像加密系統容易受到攻擊以及噪音干擾導致密鑰易被破解，以及存在輸出圖像質量差的缺陷，研究光學圖像加密系統及其消噪和抗攻擊特性，通過螺旋相位掩碼解決光學圖像加密系統光軸校準問題，將奇異值分解方法與Gyrator變換方法相結合，利用所獲取螺旋相位掩碼實現光學圖像加密系統的圖像加密，通過包括檢測階段以及濾波階段的開關中值濾波方法消除加密圖像中的噪音，利用多次傅里葉變換以及余弦定理處理消除噪音后的加密圖像，令光學圖像加密系統內CCD獲取圖像強度與原始圖像相同實現圖像解密。實例分析結果表明，將該方法應用于光學圖像加密系統中可有效抵御明文攻擊、已知明文攻擊以及唯密文攻擊，系統內加入不同大小白噪聲時仍可輸出高質量圖像。
關鍵詞:光學;圖像;加密系統;消噪音;抗攻擊;特性
1引言
隨著科技高速發展，信息傳輸技術已廣泛應用于航空、軍事、醫療等眾多領域中，數字圖像內包含大量信息，已成為傳輸數字信息的重要格式[1]。數字圖像具有文件量大、相關性高等特點，數字圖像傳輸過程中容易受到蓄意攻擊被破解與復制，數字圖像傳輸過程中的安全性極為重要。
光學圖像加密系統是解決數字圖像傳輸過程中容易受到攻擊以及非法傳播問題的重要系統，光學圖像加密技術具有存儲空間大、傳輸速度快捷、并行性高以及密鑰維度多等特征[2]，已成為圖像加密領域以及數據通信領域的重要技術。光學圖像加密技術是物理加密方法中的重要方法，隨著信息安全技術以及密碼學的不斷發展，傅里葉變換、分數哈特雷變換等眾多技術已應用于圖像加密中。圖像加密技術雖然已發展較為完善，但現有圖像加密技術普遍為線性技術[3-5]，攻擊者極容易利用明文密文等方式獲取加密圖像，因此光學圖像加密系統應運而生。針對光學圖像加密系統容易產生噪音的缺陷，研究光學圖像加密系統及其消噪和抗攻擊特性，利用奇異值分解方法與Gyrator變換方法相結合實現圖像加密，利用開關中值濾波方法消除加密后圖像噪音，采用傅里葉變換方法實現光學圖像解密，將該方法應用于光學圖像加密系統中可有效抑制圖像噪音，具有強大的消除噪音功能，有效提升系統抗攻擊能力，具有較高的穩健性。
2光學圖像加密系統及其消噪和抗攻擊特性研究
為提升光學圖像加密系統的消噪性能以及抗攻擊性能[6]，將奇異值分解方法與Gyrator變換方法相結合實現光學圖像加密系統的圖像加密，將加密后圖像利用開關中值濾波方法消除噪音，采用傅里葉變換方法實現光學圖像解密。
2.2光學圖像加密系統圖像消噪
通過開關中值濾波方法消除加密圖像中的噪音，開關中值濾波方法包括檢測階段以及濾波階段兩個階段[10]。
3實例分析
為驗證采用本方法的光學圖像加密系統傳輸數字圖像的消除噪音以及抗攻擊性能，采用本方法的光學圖像加密系統對網絡數據庫內10幅常應用于數據圖像處理的標準圖像實施加密與解密，隨機選取其中一幅原始圖像如圖1(a)所示，加密后圖像如圖1(b)所示，解密后圖像如圖1(c)所示。通過圖1實驗結果可以看出，采用本方法可實現原始圖像加密，且解密后圖像清晰度較高，說明采用本方法的光學圖像加密系統可實現圖像加密解密，并具有較高的消除噪音特性。
為直觀展示本文方法解密圖像質量，選取矢量分解方法與Fibonacci混沌方法作為對比方法，不同方法采用正確密鑰以及錯誤密鑰解密10幅圖像時的相關系數結果如表1所示。從表1結果可以看出，本方法在采用正確密鑰解密圖像時相關系數均高于0.95，本方法在采用錯誤密鑰解密圖像時相關系數均低于0.03;矢量分解方法在采用正確密鑰解密圖像時相關系數均低于0.88，矢量分解方法在采用錯誤密鑰解密圖像時相關系數均高于0.08;Fibonacci混沌方法在采用正確密鑰解密圖像時相關系數均低于0.87，Fibonacci混沌方法在采用錯誤密鑰解密圖像時相關系數均高于0.07。分析對比結果可知，本方法在采用正確密鑰與錯誤密鑰解密圖像時，相關系數明顯高于與明顯低于矢量分解方法與Fibonacci混沌方法，有效驗證了本方法采用正確密鑰獲取解密圖像與原始圖像較為一致，采用錯誤密鑰無法恢復原始圖像，采用本方法時攻擊者無法利用相關性分析通過少量圖像獲取圖像明文。
相關期刊推薦：《激光與光電子學進展》(月刊)創刊于1964年，由中科院上海光學精密機械研究所和國家慣性約束聚變委員會聯合主辦。旨在關注科技發展熱點，報道高新技術前沿，追蹤科技研發動態，介紹科學探索歷程;展示最新科技產品，匯萃時尚科技訊息。
統計采用明文攻擊、已知明文攻擊以及為唯密文攻擊三種情況攻擊采用本方法的光學圖像加密系統時，所獲取圖像的歸一化均方誤差，并將本方法與矢量分解方法與Fibonacci混沌方法對比，對比結果如圖2所示。通過圖2結果可以看出，本方法在受到不同攻擊時所獲取圖像歸一化均方誤差均較小，另兩種方法所獲取圖像的歸一化均方誤差明顯高于本方法，說明本方法受到不同攻擊情況下均可獲取與原始圖像差異較小的圖像，說明本方法具有較高的解密效果，所獲取圖像具有較高的逼真性，再次驗證了本方法的抗攻擊特性。
采用光學圖像加密系統處理圖像過程中存在大量噪音情況，為驗證本方法消除噪音的性能，統計在光學圖像加密系統中加入不同大小白噪音情況下采用本文方法解密圖像的歸一化均方誤差，統計結果如表2所示。從表2實驗結果可以看出，不同方法的解密后輸出圖像的歸一化均方誤差均隨著白噪音的增加而有所增加，本方法在不同大小白噪音攻擊情況下解密后輸出圖像的歸一化均方誤差均為最小，有效了驗證本方法具有較強的消除噪音能力。
4結束語
研究光學圖像加密系統及其消噪和抗攻擊特性，利用理論分析與實例分析驗證將該方法應用于圖像加密系統具有抗攻擊能力強、安全性能高、有效消除圖像噪音、高效加密與解密的優勢。該方法可有效降低圖像內包含的線性特征，令加密系統明文、密鑰與密文間不存在線性關系，能夠有效抵御不同攻擊，可應用于光學圖像加密系統實際應用中。——論文作者：張艷鵬，侯冬梅，楊倩，張博陽