《圖像加密方法研究的國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述》4700字

圖像加密方法研究的國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述最開始，人們在全息防偽技術(shù)中使用了光學(xué)信息技術(shù)，通過將特定的全息圖貼在需要認(rèn)證的物品上，如：證件上、銀行卡上、小型鐳射盤（CompactDisk,CD）上來防止盜版，人們通過肉眼觀察就可以分辨出東西是否為正品。這種防盜版的手段憑借著其價(jià)格低廉，實(shí)行簡單的優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛推廣。但是這種防盜手段很快就被淘汰了，究其原因是其用于防偽的全息信息很容易被攻擊者獲取，只要使用相機(jī)拍照或者電荷耦合器件（Charge-coupledDevice,CCD）相機(jī)就可以獲取防偽標(biāo)志中的全部信息，所以當(dāng)時(shí)的人們不得不使用一些新的加密方法來對信息進(jìn)行加密。Horner提出使用純相位掩膜替代全息圖，因?yàn)镃CD相機(jī)無法獲得純相位掩模的相關(guān)信息[1]。1995，Refregier等人提出了著名的雙隨機(jī)相位光學(xué)加密技術(shù)，他們通過線性光學(xué)信息處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了這一加密方法，使用兩個(gè)隨機(jī)相位掩模作為密鑰進(jìn)行傳輸[2]。首先加密時(shí)，在空域使用第一塊隨機(jī)相位掩模調(diào)制原文圖像，之后對調(diào)制過的呈類噪聲分布的密文進(jìn)行傅里葉變換，再在頻域?qū)⑵渑c另一隨機(jī)相位掩模進(jìn)行調(diào)制，再使用一塊透鏡對調(diào)制后的結(jié)果進(jìn)行傅里葉逆變換，從而得到加密后的結(jié)果[2]。該加密方案使用兩塊隨機(jī)相位掩模分別在空域和頻域?qū)γ芪倪M(jìn)行了調(diào)制，因此得到的加密結(jié)果呈現(xiàn)類似噪聲的形式，實(shí)現(xiàn)了掩蓋圖像真實(shí)信息的作用。2000年，Unnikrishnan等人對雙隨機(jī)相位加密技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，為了擴(kuò)展傳統(tǒng)雙隨機(jī)相位加密技術(shù)的密鑰空間，他們使用分?jǐn)?shù)傅里葉變換（FractionalFourierTransform）對圖像進(jìn)行處理，因此分?jǐn)?shù)傅里葉變換的階數(shù)也可以作為密鑰進(jìn)行傳輸，所以起到了擴(kuò)展密鑰空間的作用，提高了系統(tǒng)的魯棒性[3]。2004年Situ等人對這一加密技術(shù)繼續(xù)進(jìn)行了改進(jìn)，使用菲涅耳變換（FresnelTransform）對圖像進(jìn)行處理，因此菲涅爾衍射過程中的參數(shù)，如：衍射距離和光波波長，也可以作為密鑰用于加密，擴(kuò)展了密鑰空間[4]。而且菲涅爾變換可以通過平板透鏡和平板反射鏡實(shí)現(xiàn)，不同于以往只能使用曲面透鏡實(shí)現(xiàn)光學(xué)變換，其成本更低，加工也更簡單。2007年，Rodrigo等人使用Gyrator變換對圖像進(jìn)行變換，使用Gyrator變換的角度、光柵的頻率及光柵的旋轉(zhuǎn)角度作為加密密鑰進(jìn)一步的擴(kuò)展了加密系統(tǒng)的密鑰空間，增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性[5]。除了對灰度圖像加密外，這些加密算法也常常用于彩色圖像加密，通常來講彩色圖像的像素都由紅綠藍(lán)（RedGreenBlue,RGB）分量組成，對應(yīng)人類視覺的三基色即紅、綠、藍(lán)三個(gè)波段。因此顯而易見，彩色圖像中包含的信息量更多，一幅彩色圖像中包含的信息是像素?cái)?shù)相同的灰度圖像的三倍，因此彩色圖像加密的過程更加復(fù)雜也更難實(shí)現(xiàn)。根據(jù)加密和解密使用的密鑰是否相同，可以分為對稱加密算法和非對稱加密算法。與對稱加密算法相比，非對稱加密算法的加密速度較慢，但是非對稱加密算法的安全性高要遠(yuǎn)高于對稱加密算法，在絕大多數(shù)的信息傳輸過程中都使用非對稱加密算法進(jìn)行加密，以保護(hù)通信系統(tǒng)的安全性。Chen等人提出了一種基于菲涅耳變換的光學(xué)彩色圖像加密算法，先使用三個(gè)波長不同的激光同時(shí)照射待加密圖像，獲得其紅、綠、藍(lán)分量，然后分別對三個(gè)分量進(jìn)行加密，最后將加密結(jié)果進(jìn)行組合[6]。Yang等提出了一種單通道彩色圖像加密方法，首先將彩色圖像轉(zhuǎn)換到HSI（Hue-Saturation-Intensity）空間，使用雙隨機(jī)相位加密方法對I分量加密，S分量加密后得到的相位信息與H分量作為加密時(shí)使用的兩個(gè)相位[7]。Gao等人提出利用三色光柵對彩色圖像進(jìn)行編碼，再利用雙隨機(jī)相位加密技術(shù)對其加密[8]。Abuturab提出了一種基于Hartley變換和Gyrator變換的單通道彩色圖像加密方法，首先對原始圖像的三種顏色分量進(jìn)行Hartley變換，然后將變換后的結(jié)果乘作為密文[9]。Wang等提出了一種基于離散四元數(shù)傅里葉變換和雙隨機(jī)相位加密的彩色圖像加密方法，降低了加密系統(tǒng)的復(fù)雜性[10]。2010年，Wang等人在雙隨機(jī)相位加密方案的基礎(chǔ)上引入了相位截?cái)?，加密時(shí)首先在空域?qū)D像與第一塊隨機(jī)相位掩模進(jìn)行調(diào)制，之后再進(jìn)行傅里葉變換，對得到的頻域圖像進(jìn)行相位截?cái)嗪驼穹財(cái)?，相位截?cái)嗟慕Y(jié)果與另一隨機(jī)相位掩模進(jìn)行調(diào)制，再進(jìn)行傅里葉逆變換相位截?cái)嗪驼穹財(cái)?，相位截?cái)嗪蟮膱D像作為密文發(fā)送，兩次振幅截?cái)嗪蟮玫降南辔恍畔⒆鳛樗借€用于解密過程[11]。該加密算法加密過程中使用的公鑰為兩個(gè)隨機(jī)相位掩模，解密時(shí)使用的私鑰為加密過程中生成的兩個(gè)相位信息，因?yàn)楣€與私鑰不同，從而實(shí)現(xiàn)了非對稱加密，而且在加密過程中引入相位截?cái)嗪驼穹財(cái)嗍沟眉用芟到y(tǒng)可以抵抗選擇明文攻擊，但是這種加密方案易受到特殊攻擊。2017年Cai等人提出了一種基于相干疊加和等模分解的光學(xué)非對稱加密系統(tǒng)。在加密過程中，將加密系統(tǒng)的非對稱單元級聯(lián)。在第一個(gè)單元中，只生成一個(gè)相位與公鑰不同的掩模，用作第二個(gè)單元的輸入。因此，改進(jìn)后的密碼系統(tǒng)減少了攻擊者可用的約束條件，使該密碼系統(tǒng)對迭代攻擊具有很高的魯棒性[12]。Kumar等人提出了一種基于柯爾莫哥洛夫相位屏和等模分解的非對稱加密方法，將原文圖像隨機(jī)化后進(jìn)行菲涅爾變換，之后使用隨機(jī)相位掩模調(diào)制菲涅爾域中的輸出，再對其進(jìn)行Gyrator變換，使用等模分解把得到的結(jié)果分解為兩幅復(fù)圖像，其中一幅作為密鑰傳輸，另一幅則通過指定距離的四個(gè)柯爾莫哥洛夫相位屏進(jìn)行傳輸以得到最終的加密圖像[13]。2019年Chen等人提出了基于等模分解離散分?jǐn)?shù)隨機(jī)變換域的非對稱彩色圖像加密系統(tǒng)。該加密系統(tǒng)首先將彩色圖像加密為單通道圖像，通過離散小波變換將單通道圖像分為低頻圖像和高頻圖像，使用壓縮感知將高頻圖像壓縮為兩個(gè)矩陣，其中一個(gè)矩陣與低頻圖像組合作為離散分?jǐn)?shù)隨機(jī)變換的一個(gè)輸入，另一矩陣作為離散分?jǐn)?shù)隨機(jī)變換的另一個(gè)輸入，最后使用等模分解對輸出結(jié)果進(jìn)行分解，生成一個(gè)陷門單向函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)加密[14]。由于快速響應(yīng)編碼的大容量、高安全性的特性，許多學(xué)者也將快速響應(yīng)碼引入到了圖像加密技術(shù)中，2017年Sui等人提出了一種基于快速響應(yīng)碼和高緯混沌系統(tǒng)的Gyrator變換域的光學(xué)無噪聲圖像加密系統(tǒng)，首先將圖像轉(zhuǎn)為快速響應(yīng)碼，然后進(jìn)行雙隨機(jī)相位編碼，之后通過兩個(gè)級聯(lián)的Gyrator變換將圖像加密為類似噪聲分布的密文[15]。2018年Kumar等人提出了一種基于螺旋相位變換、等模分解和奇異值分解的非線性快速響應(yīng)碼的光學(xué)圖像加密技術(shù)，首先將圖像轉(zhuǎn)換為快速響應(yīng)碼，之后與螺旋相位掩模相乘，再對這個(gè)乘積進(jìn)行螺旋相位變換，對變換后的結(jié)果進(jìn)行等模分解，生成兩個(gè)復(fù)圖像，其中一個(gè)作為解密密鑰，另一個(gè)進(jìn)行菲涅耳變換，再在菲涅爾域?qū)ζ溥M(jìn)行奇異值分解，生成兩個(gè)酉矩陣和一個(gè)對角矩陣，兩個(gè)酉矩陣使用不同的調(diào)制方式調(diào)制，將調(diào)制后的結(jié)果和對角矩陣進(jìn)行逆奇異值分解，得到最后的加密圖像[16]。2018年Kumar等人提出了一種基于快速響應(yīng)碼的非線性圖像加密技術(shù)，將圖像轉(zhuǎn)為快速響應(yīng)碼后進(jìn)行Arnold置亂，再進(jìn)行Shearlet變換，把圖像分解為五個(gè)系數(shù)，使用安全密鑰替換第一個(gè)系數(shù)，再用隨機(jī)相位掩模進(jìn)行調(diào)制，再對其進(jìn)行螺旋相位變換[17]。由于混沌系統(tǒng)生成的混沌序列具有偽隨機(jī)性，而且初始狀態(tài)和參數(shù)相同的情況下生成的隨機(jī)序列是確定的，且混沌系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)簡單加密速度快，因此也有許多學(xué)者將混沌系統(tǒng)應(yīng)用到了圖像加密技術(shù)中，大多是將原始圖像和混沌系統(tǒng)生成的為偽隨機(jī)序列進(jìn)行某種運(yùn)算，從而使加密后的圖像呈現(xiàn)噪聲的狀態(tài)。2017年Chen等人提出了一種基于Gyrator變換域等模分解的彩色圖像非對稱光學(xué)加密系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用等模分解創(chuàng)建有效的陷門單向函數(shù)，為提高加密系統(tǒng)的安全性，使用了Baker映射對彩色圖像的彩色分量進(jìn)行置亂[18]。2018年等人，設(shè)計(jì)了一種使用混沌結(jié)構(gòu)相位掩模、等模分解和分?jǐn)?shù)傅里葉變換的對稱密碼系統(tǒng)。該系統(tǒng)的加解密過程完全采用分?jǐn)?shù)傅里葉域雙隨機(jī)相位編碼，使用混沌結(jié)構(gòu)相位掩模代替隨機(jī)相位掩模，利用logistic映射生成混沌結(jié)構(gòu)相位掩模，使用等模分解對密碼系統(tǒng)進(jìn)行加解密[19]。2019年Chen等人提出了一種基于混沌Ushiki映射和等模分解的分?jǐn)?shù)傅里葉變換域的非對稱彩色密碼系統(tǒng)，該系統(tǒng)首先將彩色圖像編碼為灰度格式并在單通道光學(xué)系統(tǒng)中加密，采用等模分解計(jì)算有效的陷門單向函數(shù)[20]。使用Ushiki混沌系統(tǒng)生成分?jǐn)?shù)傅里葉變換的隨機(jī)相位掩模和一個(gè)用于加密私鑰的隨機(jī)序列。2020年Su等人提出一種非對稱加密方案，使用混沌Henon映射和指紋生成混沌指紋相位掩模代替?zhèn)鹘y(tǒng)隨機(jī)相位掩模，發(fā)送方和接收方共享指紋，就只需要傳送混沌系統(tǒng)的參數(shù)即可進(jìn)行解密，方便了密鑰的管理和傳輸，提高了加密系統(tǒng)的安全性[21]。2020年陶珊等人提出了一種基于矢量分解和混沌隨機(jī)相位掩模編碼的光學(xué)非對稱彩色圖像加密方法，該加密方法對傳統(tǒng)雙隨機(jī)相位加密技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，用二維Henon混沌映射生成的兩個(gè)混沌相位掩模替代雙隨機(jī)相位掩模，將混沌系統(tǒng)的初始值和控制參數(shù)作為密鑰，增加密鑰空間，提高了加密系統(tǒng)的安全性[22]。光子計(jì)數(shù)即基于光的粒子性，把各光電子脈沖一個(gè)個(gè)地記錄下來，以一定時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)多少來表示信號的大小，因該技術(shù)可以應(yīng)用于一些圖像加密方法，所以在圖像圖像加密領(lǐng)域飽受關(guān)注。Rajput等人提出了一種結(jié)合光子計(jì)數(shù)成像和相位截?cái)喾颇鶢栕儞Q的光學(xué)非對稱加密系統(tǒng)，該加密方法首先對圖像做菲涅耳變換，在菲涅爾域?qū)π枰用艿膱D像進(jìn)行相位截?cái)啵辔唤財(cái)嗪蟮慕Y(jié)果使用光子計(jì)數(shù)成像進(jìn)行編碼，這種方法克服了基于光子計(jì)數(shù)方法的雙隨機(jī)相位編碼方案的缺點(diǎn)[23]。除傳統(tǒng)的雙隨機(jī)相位加密技術(shù)外，也有一些使用迭代算法對圖像加密的算法，這種算法的擴(kuò)展性很強(qiáng)，但通常所需的計(jì)算量都很大。2018年P(guān)iao等人提出了一種菲涅爾變換域和分?jǐn)?shù)傅里葉變換域的基于相位恢復(fù)算法的多深度三維圖像加密方法，該系統(tǒng)通過使用基于雙隨機(jī)相位編碼結(jié)構(gòu)的相位檢索算法來實(shí)現(xiàn)加密，兩個(gè)加密密鑰在每次迭代循環(huán)中不斷更新，通過兩個(gè)級聯(lián)的菲涅爾變換和分?jǐn)?shù)傅里葉變換生成純相位函數(shù)作為解密密鑰，可以有效減少加密三維圖像的散斑噪聲和串?dāng)_[24]。為提高加密效率也有許多學(xué)者在研究多圖像加密系統(tǒng)[25]。2014年，秦怡等人利用隨機(jī)相位板復(fù)用技術(shù)，提出了一種基于干涉原理的光學(xué)圖像加密系統(tǒng)，利用該方法可將多幅圖像信息解析地隱藏于兩個(gè)純相位板中[26]。2017年，Su等人提出了一種使用三叉樹結(jié)構(gòu)加密多幅彩色圖像的光學(xué)加密方法，該加密方案先將彩色圖像編碼為復(fù)矩陣，再使用隨機(jī)相位掩模和隨機(jī)振幅掩模對圖像進(jìn)行調(diào)制，再引入相位截?cái)嘁缘挚惯x擇明文攻擊，從而實(shí)現(xiàn)對單幅圖像加密，再根據(jù)三叉樹結(jié)構(gòu)對密文進(jìn)行編碼以實(shí)現(xiàn)加密多幅圖像，提高了加密系統(tǒng)的安全性[27]。參考文獻(xiàn)[1]HornerJL.Opticalpatternrecognitionforvalidationandsecurityverification[J].OpticalEngineering,1994,33(6):1752.[2]RefregierP,JavidiB.OpticalimageencryptionbasedoninputplaneandFourierplanerandomencoding[J].OpticsLetters,1995,20(7):767.[3]UnnikrishnanG,JosephJ,SinghK.Opticalencryptionbydouble-randomphaseencodinginthefractionalFourierdomain[J].OpticsLetters,2000,25(12):887.[4]GaohaiST,JingjuanZ.Doublerandom-phaseencodingintheFresneldomain[J].OpticsLetters,2004,29(14):1584.[5]RodrigoJA,AlievaT,CalvoML.Applicationsofgyratortransformforimageprocessing[J].OpticsCommunications,2007,278(2):279.[6]ChenL,ZhaoD.OpticalcolorimageencryptionbywavelengthmultiplexingandlenslessFresneltransformholograms[J].OpticsExpress,2006,14(19):8552.[7]YangXP,GaoLJ,WangXL,etal.Single-channelencryptionofcolorimagebasedondouble-phaseencoding[J].ActaPhysicaSinica,2009,58(3):1662.[8]GaoLJ,YangXP,LiZL,etal.Amethodofcolorimagesingle-channelencryption[J].ActaPhysicaSinica,2009,58(2):1053.[9]AbuturabMR.Anasymmetricsingle-channelcolorimageencryptionbasedonHartleytransformandgyratortransform[J].OpticsandLasersinEngineering,2015,69:49.[10]WangXL,ZhaiHC,LiZL,etal.Doublerandom-phaseencryptionbasedondiscretequaternionfourier-transforms[J].Optik-InternationalJournalforLightandElectronOptics,2011,122(20):1856.[11]WangXG,ZhaoDM.Multiple-imageencryptionbasedonnonlinearamplitude-truncationandphase-truncationinFourierdomain[J].OpticsCommunications,2011,284(1):148.[12]CaiJ,ShenX.Modifiedopticalasymmetricimagecryptosystembasedoncoherentsuperpositionandequalmodulusdecomposition[J].OpticsandLaserTechnology,2017,95:105.[13]KumarR,BhaduriB,QuanC.AsymmetricopticalimageencryptionusingKolmogorovphasescreensandequalmodulusdecomposition[J].OpticalEngineering,2017,56(11):1.[14]ChenXD,WangY,WangJ,etal.Asymmetriccolorcryptosystembasedoncompressedsensingandequalmodulusdecompositionindiscretefractionalrandomtransformdomain[J].OpticsandLasersinEngineering,2019,121(April):143.[15]SuiLS,XuMJ,TianAL.Opticalnoise-freeimageencryptionbasedonquickresponsecodeandhighdimensionchaoticsystemingyratortransformdomain[J].OpticsandLasersinEngineering,2017,91:106.[16]KumarR,BhaduriB,NishchalNK.NonlinearQRcodebasedopticalimageencryptionusingspiralphasetransform,equalmodulusdecompositionandsingularvaluedecomposition[J].JournalofOptics(UnitedKingdom),2018,20(1).[17]KumarR,BhaduriB,HennellyB.QRcode-basednon-linearimageencryptionusingShearlettransformandspiralphasetransform[J].JournalofModernOptics,2018,65(3):321.[18]ChenH,TanougastC,LiuZ,etal.Asymmetricopticalcryptosystemforcolorimagebasedonequalmodulusdecompositioningyratortransformdomains[J].OpticsandLasersinEngineering,2017,93:1.[19]GirijaR,SinghH.SymmetricCryptosystemBasedonChaosStructuredPhaseMasksandEqualModulusDecompositionUsingFractionalFourierTransform.3DResearch[J].2018,9(3).[20]ChenH,LiuZ,ZhuL,etal.AsymmetriccolorcryptosystemusingchaoticUshikimapandequalmo