單通道彩色圖像文件加密之雙相位編碼
admin 因圖像的色彩信息在許多場(chǎng)合都是非常有用的，彩色圖像信息的加密處理正受到越來越多的重視，為此我們提出了一種基于雙相位編碼的單通道彩色圖像文件加密方法。
一、色彩空間的轉(zhuǎn)換
本文中，圖像的彩色信息被轉(zhuǎn)換成振幅和位相信息，以實(shí)現(xiàn)單通道加密，而彩色圖像通常用紅、綠、藍(lán)三元組的二維矩陣來表示，為此，首先需將彩色圖像用HSI表示。
在RGB和HSI之間的變換公式有多種形式，所有變換方法的基本思想都是一致的，一般而言，對(duì)一種從RGB空間轉(zhuǎn)換到HSI空間的方法，只要它能保證轉(zhuǎn)換后的色調(diào)H是一個(gè)角度，飽和度S和強(qiáng)度I相互獨(dú)立，并且此轉(zhuǎn)換是可逆的即可。本文選擇的轉(zhuǎn)換公式如下。
1、RGB到HSI的彩色模型轉(zhuǎn)換
給定一幅RGB彩色格式的圖像，每一個(gè)[O，1]范圍內(nèi)的RGB像素值和H分量可用下面的公式。
2、HSI到RGB的彩色模型轉(zhuǎn)換
設(shè)H，S，I歸一化在[O，1]范圍內(nèi)，與之對(duì)應(yīng)的R，G，B的值也在O，1]之間，則由腳轉(zhuǎn)換為RGB的公式與顏色點(diǎn)落在色環(huán)的哪個(gè)扇區(qū)有關(guān)，將H乘以360°，則色調(diào)值返回到O，360°]的范圍。
二、彩色圖像的單通道加密
1、密鑰-S分量的加密
設(shè)轉(zhuǎn)換后得到的彩色圖像的S分量的復(fù)振幅用s（x，y）表示，以它作為一個(gè)圖像，采用基于相息圖迭代的雙隨機(jī)相位法，將其加密為一個(gè)僅位相分布的相息圖，此相息圖即可作為原彩色圖像相位編碼時(shí)的密鑰．將s（x，y）加密為g（x，y）的過程可表示為：
其中，F(xiàn)T為傅里葉變換，F(xiàn)T-1為傅里葉逆變換，（x，y）表示二維空間坐標(biāo)，(x，y)為二維頻域坐標(biāo)p（x，y）和b(x，y)分別代表兩個(gè)在[O，1]之間均分布的二維隨機(jī)陣列。g（x，y）即為S分量的相總圖，g(x，y)的相位分布及b(u，y)的相位分布可運(yùn)過迭代算法求出。b(u，y)一經(jīng)確定，即可斥B(u，v)=expi2πb(u，v)]作為從相息圖g（x，y）本身來恢復(fù)s(x，y)的密鑰，由于p（x，y）是隨機(jī)噪聲，因而b(u，v)也是隨機(jī)的，只不過這一隨機(jī)相位的分布會(huì)與p（x，y）和原圖像s(x，y)緊密相關(guān)。所以，用B(u，v)作為密鑰，有很高的安全性，對(duì)g（x，y）解密，則可得到解密后的S分量(x，y），該運(yùn)算即為加密過程的逆運(yùn)算。
2、基于雙相位的單通道彩色圖像加密
設(shè)彩色圖像在冊(cè)J空間中的I分量用I(x，y)表示，其復(fù)振幅可用I(x，y)表示，歸一化的日分量用H(x，y)表示，采用雙相位編碼技術(shù)對(duì)其加密的算法框圖如圖1所示，其中，g(u，y)即為s分量的相息圖，該算法可用下式表示：
以上算法可由圖2所示的光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，從圖中可見，將待加密的彩色圖像的I分量的振幅和一個(gè)相位板緊靠在一起，該相位板的相位分布即expi2πH(x，y)（可采用SLM來得到），將它們置于光學(xué)系統(tǒng)的輸入平面，用平行相干光照明，則在傅里葉譜平面，得到I(x，y)expi2πH(x，y)]的傅氏譜；將其和對(duì)s分量加密得到的相位因子expig(u，v)]相乘，再經(jīng)逆傅氏變換，即可在輸出平面上得到加密后的圖像f(x，y)。
由f（x，y）得到I(x，y)的解密圖像I(x，y)的運(yùn)算是加密系統(tǒng)的逆運(yùn)算，可表示為：
利用(5)—(7)式，將I(x，y)，H(x，y)和由g(x，y)解密得到的s分量雙(x，y)轉(zhuǎn)換成RGB分量，并將其合成，即可得到原彩色圖像。
三、模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果
我們對(duì)以上算法進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)，圖3為待加密圖像的色彩空間轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)，其中圖3(a)是一幅待加密的128 X128像素的RGB空間彩色圖像，(b)，(c)，(d)分別為由轉(zhuǎn)換公式(1)—(4)得到的該圖像的HSI空間圖像。
對(duì)S分量加密的結(jié)果，其加密后得到的相息圖，解密后的S分量圖像。
圖5為采用雙相位加密技術(shù)對(duì)彩色圖像加密得到的結(jié)果，其中，(b)，(d)的分量和H分量得到的圖像I(x，y)expi2πH(x，y)]（顯示時(shí)取實(shí)部），對(duì)I(x，y)expi2πH(x，y)]加密得到的圖像f（x，y），使用的密鑰即為所示的相息圖，為對(duì)f（x，y）加密后得到的圖像I(x，y)，為解密后得到RGB圖像，由圖可見，解密后合成的RCB圖像，與開始待加密的RGB圖像在視覺上幾乎沒有什么區(qū)別。
