本发明涉及数字图像加密技术领域，尤其涉及空域图像加密技术领域。
背景技术：
数字图像是一种应用广泛信息载体形式，对国防、工业、科技、经济等领域有着深刻的影响。某些特殊领域，如军事、商业和航空，数字图像还有较高的保密需求。面对解密技术的迅速发展，传统一维数据加密算法面临着严峻挑战。图像加密技术的概念是：利用数字图像的特性设计加密算法，以提高加密的安全性和运算效率的一种技术。为了实际应用的需要，数字图像加密技术需要具有难以破译、性能可靠的特点，以抵抗各种破译手段的攻击。
图像加密技术可分为两类，即空域图像加密技术和压缩图像加密技术。空域图像加密技术在未压缩的图像上进行加密，其特征是将图像看作二维数据进行操作。视觉密码方案(visualcryptographyscheme)简称vcs，是一种新型的空域图像加密技术，由naor和shamir在1994年在欧洲密码学会议上提出，它是将秘密图像分享在若干称为分享份的透明胶片中，每一张分享份都不会泄露秘密的任何信息。解密时只需将满足条件的胶片叠合在一起，可在没有计算机的环境和秘密所有者不具备任何数学知识的情况下，由人类视觉系统直接恢复出秘密。与传统的秘密共享方法不同的是，视觉密码主要针对于秘密信息为图像的情况,在分享结构为(k,n)时，其中2≤k≤n，将秘密图像加密到n幅分享图像(shareimages)中，然后将分享图像分发给n位不同的秘密共享参与者。在恢复秘密图像时，至少需要k幅分享图像叠加才能恢复出秘密。
一般而言，视觉密码技术对数字图像进行加密和解密的过程如图1所示。
现有的视觉密码技术能够做到隐蔽性，由于分享图像上的像素点是随机分布的，隐藏的秘密不能被常人所看见；其次，视觉密码技术具有安全性：对单张分享图像进行分析不能得到任何关于秘密的有用信息。
然而，现有的大多数视觉密码技术在解密时无需任何数学计算，破译者不需要任何数学知识，只要将分享图像简单地叠加就能恢复出秘密图像，增加了分享图像的保存过程中被拍摄窃取的危险性，进而降低了传统视觉密码技术的安全性。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于视觉密码与计算机制全息图的数字图像加密解密系统，以提高数字图像加密的安全性。
一方面，本发明公开了一种基于视觉密码与计算机制全息图的数字图像加密解密系统，包括以下步骤：分享图生成步骤：通过视觉密码算法对原始图像进行处理，生成原始图像对应的两张分享图；全息图生成步骤：通过博奇编码的修正型离轴参考光计算全息图方法，生成两张分享图对应的两张计算全息图，即两张加密图；图像重建步骤：通过激光对两张全息图重建光场，在屏幕上重叠后得到重建图像；或对两张全息图分别作二维快速逆傅立叶变换，重叠后得到重建图像，即解密图。
上述数字图像加密解密系统，所述分享图生成步骤进一步包括：图像二值化步骤，分享图a生成步骤和分享图b生成步骤。其中，图像二值化步骤，将原始rgb数字图像变为灰度图像，再将灰度图像根据图像均值变为二值化图像。分享图a生成步骤，将原始图像的二值化图像矩阵中的每一个像素点用分享图a中的一组四个像素点表征，使用伪随机数列对每组四个像素点进行二值化赋值，一共分为六种组合情况，每一组的每种情况都有两个像素点为1，两个像素点为0。分享图b生成步骤，分享图b与分享图a图像尺寸相同。根据原始图像的二值化图像矩阵每个像素点的取值，使分享图b中的每组2×2四个像素点的值与分享图a对应每组2×2四个像素点取值分别相同或者分别和为1。
上述数字图像加密解密系统，所述全息图生成步骤进一步包括：随机相位因子添加步骤，博奇编码修正离轴参考光步骤和全息图归一化步骤。其中，随机相位因子添加步骤，对复数矩阵a1进行赋值，a1中的每个元素的模与分享图a对应像素点的值相等，相位用伪随机数矩阵赋值，用以平滑函数的傅里叶变换谱；博奇编码修正离轴参考光步骤，对复数矩阵a1进行二维快速傅立叶变换并移频到中心得到二维频域矩阵a2，将a2中每个复数元素与离轴参考光对应的频域矩阵r中每个复数元素进行博奇编码，编码的具体操作为：去掉直流偏置项
全息图归一化步骤，对全息函数进行归一化，得到分享图a的博奇编码的修正型离轴参考光计算全息图a3，重复上述操作，得到分享图b的博奇编码的修正型离轴参考光计算全息图b3，a3与b3即为两张加密图。
上述数字图像加密解密系统，所述图像重建步骤进一步包括：分享图全息图重建步骤和重建图像叠加步骤。其中，分享图全息图重建步骤，计算全息图a3各元素的傅里叶变换谱的幅角与模,并对各点的模归一化，将频谱的低频成分移到中心,以避免再现时像分散在边缘，得到分享图a的重建图像a4。重复上述步骤，得到得到分享图b的重建图像b4；重建图像叠加步骤，将重建图像a4与b4中的元素相加，并对得到的矩阵做归一化，得到原始图片的重建图像。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
（1）隐蔽性：由于加密图上的像素点与原图在空间上无关，隐藏的秘密图像不可能被看见或者通过简单的重叠破解，降低了对分享图像的保密要求；
（2）绝对安全性：用任何方法，任何手段对单张加密图进行分析都不能得到任何关于秘密的有用信息；
（3）秘密恢复的可靠性：不同于其他任何一种传统的图像加密技术，本发明在解密时可以选择计算机辅助或者物理实现两种途径，计算机辅助即对两张加密图进行傅立叶变换并叠加得到重建图像，物理实现即使用激光照射加密图以重建光场，在屏幕上重叠解密得到重建图像；
（4）通用性：使用者无需密码学的知识，任何人都可以使用该技术。这也是与其他密码技术不同的一个重要方面；
（5）快捷性：由于采用了博奇编码修正型离轴参考光全息图，取代了计算全息图的直流分量，频率域中的自相关成分就不再出现，为了避免频率平面上各分量之间的重叠，透过率函数在二维方向的最高频率在x与y方向都变为原来的二分之一，抽样间距在x与y方向变为原来的两倍，总抽样点数降为无编码时的25%，从而提高了全息图（加密图）生成的速率。
附图说明
图1为现有技术中，视觉密码加密解密的流程图。
图2为本发明中，基于视觉密码的加密、解密系统的流程图。
图3为本发明中需要加密的原始图像。
图4为本发明中经过视觉密码算法得到的两张分享图。
图5为本发明中经过博奇编码修正离轴参考光cgh后两张分享图对应的两张全息图（加密图）。
图6为本发明中两张全息图（加密图）经过傅立叶变换和移频后得到的两张分享图重建图。
图7为本发明中两张分享图重建图叠加后得到的原始图像重建图（解密图）。
图8为本发明加密解密过程的结构框图。
图9图10为视觉密码原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的目的、特征与优点做进一步说明。
本发明基于对安全性能的考虑，在现有技术基础上，对传统的视觉密码技术进行了改进和创新，即采用博奇编码修正型离轴参考光计算全息图技术，在视觉密码加密的基础上提升安全性与反破译能力。
参照图2，图2为本发明基于视觉密码的加密、解密系统的流程图，，包括以下三个步骤：分享图生成步骤：通过视觉密码算法对原始图像进行处理，生成原始图像对应的两张分享图。全息图生成步骤：通过博奇编码的修正型离轴参考光计算全息图方法，生成两张分享图对应的两张计算全息图，即两张加密图。图像重建步骤：通过激光对两张全息图重建光场，在屏幕上重叠后得到重建图像；或对两张全息图分别作二维快速逆傅立叶变换，重叠后得到重建图像，即解密图。
下面结合图4，图9和图10，对视觉密码技术生成二值化原图的两张分享图像的步骤进行详细的说明。
视觉密码加密问题最简单的模型就是假设秘密信息是一系列黑白像素的组合，每个像素均被单独处理。每个原始的像素被分到n个分享中（一个分享对应于一个透明胶片），其中每个分享都包含有m个子像素，这些打印在透明胶片上的黑白子像素彼此极为相似，从而人类视觉系统把它们特有的黑或白的贡献平均化。一个原始像素经过上述处理后所得到的结构可以描述为一个n×m布尔矩阵
是一个分享中像素的数量。它代表了从原始图片到这个分享图份的分辨率的损失。我们希望越小越好。是来自于原始图像中一个白色像素和一个黑色像素在结合分享之间权重的相对差。它代表了对比度的损失。我们希望越大越好。是集合和（二者不需要大小相同，但在我们所有方案中二者都是相同的）的大小。代表了产生结合分享所需要的随机字节的数量，它不影响图像的质量。
特别地，在某一个分享中的一个黑色子像素所产生的视觉效果不能通过这个像素在其他已经解开的分享中的颜色来解密。与普通加密技术不同的是，这种单一性在加密过程中对明文增加了随机噪声，并且在解密过程中又从密文中去掉了这些随机噪声。这个模型也区别于更自然的模型。通常，更自然的模型是一个白色像素完全是由白色子像素的集合来代表，黑像素完全由黑色子像素的集合来表示。因此，我们必须使用一个阈值d和
(k,n)视觉秘密共享方案的解包含两个集合
对于集合
对于集合
参见图5，对博奇编码修正型离轴参考光计算全息图的原理进行详细说明。对于传统光学离轴修正参考光全息图，其透过率函数为：
式中前两项作为直流偏置，而第三项包含了全息图的全部信息。因此前两项是完全不必要的，但其存在却增加了全息图的带宽要求，因此人工加直流偏置来代替前两项，重新构成全息函数：
其中k为常数，且使得对于所有x，y值，h(x,y)均为非负实数，归一化后max(|a(x,y)|)=1且r=1，全息函数变为：
取代了计算全息图的直流分量后，频率域中的自相关成分就不再出现，为了避免频率平面上各分量之间的重叠，透过率函数在二维方向的最高频率在x与y方向都变为原来的二分之一，抽样间距在x与y方向变为原来的两倍，总抽样点数降为无编码时的25%，为了降低全息图的动态范围，分享图像在作变换前需要先乘以随机相位因子，这种做法平滑了傅里叶变换谱，但在输出像平面的衍射图像中引入了散斑噪声。
另外，如果对两张分享图片作博奇编码修正型离轴参考光cgh时，乘以的随机相位因子相同，那么可以先重叠得到的分享图全息图，再进行傅立叶变换或者激光照射，同样可以得到原始图像的重建图像。
1.一种基于视觉密码的数字图像加密解密系统，其特征在于，包括以下步骤：
分享图生成步骤：通过视觉密码算法对原始图像进行处理，生成原始图像对应的两张分享图；
全息图生成步骤：通过博奇编码的修正型离轴参考光计算全息图方法，生成两张分享图对应的两张计算全息图，即两张加密图；
图像重建步骤：通过激光对两张全息图重建光场，在屏幕上重叠后得到重建图像；或对两张全息图分别作二维快速逆傅立叶变换，重叠后得到重建图像，即解密图。
2.根据权利要求1所述的数字图像加密解密系统，其特征在于，所述分享图生成步骤进一步为：
图像二值化步骤：将原始rgb数字图像变为灰度图像，再将灰度图像根据图像均值变为二值化图像；
分享图a生成步骤：将原始图像的二值化图像矩阵中的每一个像素点用分享图a中的一组四个像素点表征，使用伪随机数列对每组四个像素点进行二值化赋值，一共分为六种组合情况，每一组的每种情况都有两个像素点为1，两个像素点为0；
分享图b生成步骤：分享图b与分享图a图像尺寸相同；
根据原始图像的二值化图像矩阵每个像素点的取值，使分享图b中的每组2×2四个像素点的值与分享图a对应每组2×2四个像素点取值分别相同或者分别和为1。
3.根据权利要求1所述的数字图像加密解密系统，其特征在于，所述全息图生成步骤进一步为：
随机相位因子添加步骤：对复数矩阵a1进行赋值，a1中的每个元素的模与分享图a对应像素点的值相等，相位用伪随机数矩阵赋值，用以平滑函数的傅里叶变换谱；
博奇编码修正离轴参考光步骤：对复数矩阵a1进行二维快速傅立叶变换并移频到中心得到二维频域矩阵a2，将a2中每个复数元素与离轴参考光对应的频域矩阵r中每个复数元素进行博奇编码，编码的具体操作为：去掉直流偏置项，重新构成全息函数：h1(x,y)=k 2ra1(x,y)cos[2παx-φ(x,y)]；
全息图归一化步骤：对全息函数进行归一化，得到分享图a的博奇编码的修正型离轴参考光计算全息图a3，重复上述操作，得到分享图b的博奇编码的修正型离轴参考光计算全息图b3，a3与b3即为两张加密图。
4.根据权利要求1所述的数字图像加密解密系统，其特征在于，所述图像重建步骤进一步为：
分享图全息图重建步骤：计算全息图a3各元素的傅里叶变换谱的幅角与模,并对各点的模归一化，将频谱的低频成分移到中心,以避免再现时像分散在边缘，得到分享图a的重建图像a4；
重复上述步骤，得到得到分享图b的重建图像b4；
重建图像叠加步骤：将重建图像a4与b4中的元素相加，并对得到的矩阵做归一化，得到原始图片的重建图像，即解密图。
技术总结