基于雙光復(fù)用的多圖像隱形視覺加密系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、主要內(nèi)容

光學(xué)信息安全領(lǐng)域采用光作為信息介質(zhì)，其特點(diǎn)是具有高速和并行處理能力。此外，由于光的波長較短，它提供了很大的信息容量，并可以隱藏多個(gè)維度的數(shù)據(jù)，包括波長、振幅和相位。目前光學(xué)信息安全的主要技術(shù)包括雙隨機(jī)相位加密系統(tǒng)、全息術(shù)、疊層成像術(shù)、計(jì)算鬼成像、隱形視覺加密（VC）、壓縮感知、混沌系統(tǒng)、摩爾紋像素矩陣、二維碼、超表面和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

隱形視覺加密（VC）是隨著擴(kuò)展、豐富多彩、動態(tài)特性的提出而逐步改進(jìn)的，沒有像素?cái)U(kuò)展VC。然而，VC的密文通常是純振幅和看似隨機(jī)的二進(jìn)制圖像，很容易引起攻擊者的注意，可能導(dǎo)致加密失敗。

隱 形 VC 系 統(tǒng)

本文介紹了一種基于雙光復(fù)用的多圖像隱形VC系統(tǒng)。在衍射距離復(fù)用和波長復(fù)用條件下，秘密圖像的視覺秘鑰隱藏在菲涅耳域的相位秘鑰內(nèi)。該方法通過雙光復(fù)用增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性，并保證了一定的信息隱藏能力。數(shù)值模擬和光學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于雙光復(fù)用的多圖像隱形VC系統(tǒng)是可行的。

2、理論

基于雙光復(fù)用的多圖像隱形VC系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)置如圖1所示。根據(jù)秘密圖像生成的視覺秘鑰被分為兩組。對于具有固定波長的第一組，視覺秘鑰以不同的衍射距離隱藏在相位秘鑰1中。對于具有固定衍射距離的第二組，視覺秘鑰在不同波長條件下隱藏在相位秘鑰2中。在信息提取過程中，兩個(gè)相位秘鑰分別在不同的衍射距離和波長條件下通過菲涅耳域衍射生成兩組視覺秘鑰。將每組中相應(yīng)的視覺秘鑰疊加在一起可以揭示秘密信息。

圖1.多圖像隱形系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)置

2.1. 隱藏過程

本文所提出的信息隱藏系統(tǒng)的隱藏過程如圖2所示。首先，將秘密圖像編碼為四個(gè)視覺秘鑰，然后將其分為兩組。對于具有固定波長的第一組視覺秘鑰，采用相位檢索算法將兩個(gè)視覺秘鑰以不同的衍射距離嵌入到第一相位秘鑰中。對于具有固定衍射距離的第二組，在不同波長條件下，使用相同的算法將兩個(gè)視覺秘鑰嵌入到第二相位秘鑰中。因此，這在多個(gè)方面為隱藏系統(tǒng)提供了安全保護(hù)。此外，使用標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度檢測方法很難直接檢測相位信息，有效地降低了攻擊的可能性，并顯著提高了系統(tǒng)的安全性。在解密過程中，只有當(dāng)波長、衍射距離和相位秘鑰準(zhǔn)確對齊，并且視覺秘鑰相互對應(yīng)時(shí)，才能檢索到正確的秘密圖像。

圖2.基于雙光復(fù)用的多圖像隱形視覺加密隱藏過程

根據(jù)VC編碼原理，將兩個(gè)待隱藏的秘密圖像編碼為兩個(gè)視覺秘鑰。在不同的波長和衍射距離下，采用相位檢索算法將四個(gè)視覺秘鑰嵌入兩個(gè)純相位掩模中。本文以Gerchberg–Saxton算法為例。該算法的流程圖如圖3所示。

圖3.算法的流程圖

2.2. 提取過程

菲涅耳衍射是在兩個(gè)相位秘鑰各自的波長和衍射距離上進(jìn)行的，產(chǎn)生兩組視覺秘鑰。隨后，通過對相應(yīng)的視覺秘鑰對進(jìn)行非相干疊加，可以獲得實(shí)際的秘密圖像。

課題組進(jìn)行了一個(gè)光學(xué)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證所提出的系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)旨在驗(yàn)證相位秘鑰在菲涅耳域內(nèi)的特定波長條件下是否能衍射產(chǎn)生不同的視覺秘鑰，以及在相同衍射距離下對應(yīng)的視覺秘鑰是否能通過計(jì)算機(jī)處理進(jìn)行非相干疊加以揭示秘密信息。實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。該裝置所用空間光調(diào)制器為UPOLabs反射式純相位SLM（型號：HDSLM45R）。

圖4.用于單波長實(shí)驗(yàn)提取過程的光學(xué)裝置

此方案具有很強(qiáng)的適用性。相位秘鑰可以通過各種光學(xué)介質(zhì)實(shí)現(xiàn)，如衍射光學(xué)元件、超表面、純相位SLM和透明材料，這些材料可以在不影響光的放大率的情況下改變光的相位。在提取秘密信息時(shí)，不一定需要嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)條件。手持激光器照明由兩個(gè)相位秘鑰制成的衍射光學(xué)元件，可以在不同距離接收恢復(fù)的視覺秘鑰。將相應(yīng)的恢復(fù)的視覺秘鑰投影到同一個(gè)白色屏幕上可以揭示秘密信息。

3.模擬與分析

3.1. 模擬

本文的雙光復(fù)用是指同時(shí)使用波長復(fù)用和衍射距離復(fù)用。波長和衍射距離的綜合效應(yīng)擴(kuò)大了秘鑰空間。在所提的方法中，從多個(gè)秘密圖像生成的視覺秘鑰可以同時(shí)隱藏在一個(gè)相位秘鑰中。在實(shí)際傳輸過程中，相位秘鑰可以制造為衍射光學(xué)元件。這種方法可以降低成本，提高實(shí)用價(jià)值，通過計(jì)算機(jī)模擬驗(yàn)證了所提方案的可行性。如圖5所示，秘密圖像被編碼為四個(gè)視覺秘鑰。秘密信息的可視秘鑰分為兩組，以便單獨(dú)隱藏。

圖5.基于雙光復(fù)用的多圖像隱形視覺加密的流程圖

在提取過程中，在計(jì)算機(jī)中用平行光模擬兩個(gè)相位秘鑰的照明。在衍射距離和波長的設(shè)定條件下，再現(xiàn)視覺秘鑰。對應(yīng)的視覺秘鑰非相干疊加后，可以通過人類的視覺系統(tǒng)提取秘密信息。通過評估該系統(tǒng)的提取質(zhì)量證實(shí)了所提方法中兩個(gè)恢復(fù)圖像的平均相關(guān)系數(shù)較高，表明恢復(fù)質(zhì)量更好。因此，該系統(tǒng)的提取質(zhì)量是可以接受的。

3.2. 安全性和秘鑰敏感度分析

本文從兩個(gè)方面分析系統(tǒng)的安全性：IVC和光學(xué)密鑰，從三個(gè)方面對IVC和VC的安全性和隱私性進(jìn)行評估。首先，IVC和VC都利用非相干疊加來檢索信息。但是，區(qū)別在于解密過程。IVC通過光衍射解密，而VC利用光透射。這使IVC在安全性方面具有更大的優(yōu)勢。其次，該方法采用雙光秘鑰復(fù)用;通過使用衍射距離和波長作為秘鑰，它擴(kuò)展了秘鑰空間并增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性。第三，將單個(gè)秘密圖像生成的兩個(gè)視覺秘鑰隱藏在兩個(gè)不同的相位秘鑰中。這可以防止竊聽者僅通過獲取其中一個(gè)相位秘鑰來獲取部分機(jī)密信息。這確保了系統(tǒng)的一定程度的隱私。隨后通過控制變量的方法探索了光學(xué)秘鑰的靈敏度。分析證實(shí)，該系統(tǒng)對光學(xué)秘鑰的變化高度敏感。這樣可以更好地保證系統(tǒng)的安全性。

圖6.安全性和秘鑰敏感性分析：（a）和（b）是恢復(fù)結(jié)果。（c） –（f）是噪聲信號。

3.3. 魯棒性分析

分析隱蔽系統(tǒng)的魯棒性至關(guān)重要。它直接影響到系統(tǒng)在面對各種干擾和攻擊時(shí)能否保持其功能，從而保證秘密信息的安全性和完整性。本文分析了所提出的方法對噪聲、阻塞和作弊的魯棒性，分析表明所提系統(tǒng)具有足夠的魯棒性。

圖7.不同噪聲強(qiáng)度下的相關(guān)系數(shù)

圖8.分塊分析：(a)和(b)是相位鍵，(c)以及(d)是解密結(jié)果。

3.4. 容量分析

隱藏能力的分析是確定光學(xué)隱藏系統(tǒng)可以隱藏的信息量的關(guān)鍵。本文分析了系統(tǒng)內(nèi)可隱藏的圖像數(shù)量。在計(jì)算機(jī)模擬過程中使用簡單的二進(jìn)制字母圖像來測試系統(tǒng)中可以隱藏的最大圖像數(shù)量。隨著圖像數(shù)量的增加，提取質(zhì)量逐漸降低。通過測量視覺效果和PSNR來評估提取圖像的質(zhì)量。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)所提系統(tǒng)能夠同時(shí)隱藏五個(gè)秘密圖像，秘密圖像分別編碼為兩個(gè)視覺秘鑰。如圖9。

圖9.隱藏五個(gè)圖像時(shí)的恢復(fù)結(jié)果：(a）-（e）是秘密圖像。(f） –（o）是提取結(jié)果。

在對隱藏能力的分析過程中，觀察到在不改變隱藏圖像的像素大小的情況下，改變仿真過程中獲得的視覺秘鑰幀的像素大小會影響輸出圖像的質(zhì)量，當(dāng)使用更高像素甚至更高的視覺秘鑰時(shí)，提取的圖像看起來更清晰，并且可隱藏圖像的數(shù)量可能會增加。

4、結(jié)論

綜上所述，本文提出了一種基于雙光復(fù)用的多圖像隱形VC技術(shù)。它不僅通過衍射距離和波長秘鑰確保系統(tǒng)的安全性，而且還允許隱藏多個(gè)圖像。在實(shí)際場景中可以將相位秘鑰制造成衍射光學(xué)元件。該方案可以在單個(gè)相位秘鑰中隱藏多個(gè)視覺秘鑰，從而節(jié)省衍射光學(xué)元件的使用成本并提供更高的實(shí)用性。除此之外，所提方法還可以應(yīng)用于數(shù)字藝術(shù)品版權(quán)保護(hù)、個(gè)人隱私、數(shù)字現(xiàn)金等。此外，該方案還表現(xiàn)出一定程度的抗噪聲干擾能力，并通過光學(xué)實(shí)驗(yàn)初步驗(yàn)證了其實(shí)際效用。未來，該系統(tǒng)有望發(fā)展成為一種具有高安全性和實(shí)用價(jià)值的新型光學(xué)多圖像隱藏技術(shù)。