一种基于双随机相位编码的视频光学加解密系统及方法

文档序号:7809360阅读:178来源:国知局
一种基于双随机相位编码的视频光学加解密系统及方法
【专利摘要】一种基于双随机相位编码的视频光学加解密系统,包括加密系统与解密系统,二者的物理结构相同,均包括傅式透镜组和两块随机相位板,在加密系统中傅式透镜组和两块随机相位板组成4-F系统,用于将图像信号进行双随机相位编码;在解密系统中傅式透镜组和两块随机相位板组成4-F系统,用于将加密信号进行双随机相位解码,解码得到单一通道的灰度图像,本发明还提供了基于双随机相位编码的视频光学加解密方法,本发明首次将光学加密应用在视频加密领域,降低了加解密时间,极大提高了视频传输性能,可以为高清视频技术迅速普及的未来和军事加解密领域提供有利的技术支持。
【专利说明】-种基于双随机相位编码的视频光学加解密系统及方法

【技术领域】
[0001] 本发明属于视频监控【技术领域】,特别涉及一种基于双随机相位编码的视频光学加 解密系统及方法。

【背景技术】
[0002] 信息通信中的图像侦查技术在各行各业进行了大规模开发应用,高清时代随着软 硬件的快速发展已经来临。目前视频监控图像数据量越来越大,视频监控系统覆盖面越来 越广、对图像的辨识度的要求也越来越高,高清化成为了未来的一种发展趋势。但是由于监 控领域的某些加密需求,图像数据量的增大将会对加密算法提出严峻的考验,图像尺寸的 增大将会严重增加加密算法的开支以及加解密的运算时间。因此进行快速有效地加解密算 法的研究就成为了一项重要的研究方向。


【发明内容】

[0003] 为了克服上述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种基于双随机相位编码 的视频光学加解密系统及方法,在视频监控领域进行光学加解密,降低了加解密时间,极大 提高了视频传输性能,可以为高清视频技术迅速普及的未来和军事加解密领域提供有利的 技术支持。
[0004] 为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
[0005] -种基于双随机相位编码的视频光学加解密系统,包括加密系统与解密系统,二 者的物理结构相同,均包括傅式透镜组和两块随机相位板,其中:
[0006] 在加密系统中:
[0007] 所述傅式透镜组和两块随机相位板组成4-F系统,用于将图像信号进行双随机相 位编码;
[0008] 在解密系统中:
[0009] 所述傅式透镜组和两块随机相位板组成4-F系统,用于将加密信号进行双随机相 位解码,解码得到单一通道的灰度图像。
[0010] 所述加密系统还包括色散元件,色散元件为三色复合光栅,在加密系统中,彩色图 像被色散成一幅同时具有红、绿、蓝三个分量的灰度图像,该灰度图像作为加密源。
[0011] 在加密系统中,第一块随机相位板放置在4-F系统的物面,将加密源图像中的单 帧图像置乱,置乱后的图像经过傅式透镜组进行傅里叶变换得到频谱图像;第二块随机相 位板放置在频谱面上,对置乱后的图像的频谱图像再进行一次信息置乱,最后将置乱的频 谱图像经过傅里叶逆变换转换到空间域。
[0012] 在解密系统中,待解密的图像逆向经过傅式透镜组进行傅里叶变换,将图像变换 回频谱图像,然后经过第二块随机相位板,恢复成置乱前的频谱图像;再逆向经过傅式透镜 组进行傅里叶逆变换,恢复成空间域图像,再经过第一块随机相位板,将图像恢复成加密前 的具有红、绿、蓝综合信息的灰度图像。
[0013] 本发明还提供了基于双随机相位编码的视频光学加解密方法,在视频采集光学系 统与成像感光芯片之间加入加密系统和解密系统,加密过程为:
[0014] 首先将彩色视频信号色散为一幅同时具有红、绿、蓝信息的灰度图像;
[0015] 然后将上述灰度图像做为加密源进行双随机相位编码;
[0016] 成像感光芯片上获取经过双随机相位编码后的均匀随机噪声;
[0017] 解密过程为:
[0018] 在解密时,待解密图像进行解码,得到同时具有红、绿、蓝信息的加密前的灰度图 像,然后通过数字解码将具有红、绿、蓝信息灰度图像回复成彩色图像,然后推送到上位机 进行显示。
[0019] 所述加密过程中,通过色散元件将彩色图像信号色散为同时具有红、绿、蓝信息的 灰度图像信号,通过傅式透镜组和两块随机相位板对灰度信号进行编码,所述两块随机相 位板分别放置在物面和频谱面,分别在空间域和频谱域对图像进行置乱。
[0020] 所述解密过程中,待解密的图像逆向经过傅式透镜组进行傅里叶变换,将图像变 换回频谱图像,然后经过第二块随机相位板,回复成置乱前的频谱图像,然后再逆向经过傅 式镜组进行傅里叶逆变换,恢复成空间域图像,再经过第一块随机相位板,将图像恢复成加 密前的具有红、绿、蓝综合信息的灰度图像。
[0021] 与现有技术相比,本发明的有益效果是:
[0022] 1、本发明提供的在视频监控领域进行光学加解密并设计的基于双随机相位编码 的单通道加解密光学系统,针对快速有效地加解密算法研究,首次将光学加密应用在视频 加密领域,根据视频传输的特性进行了系统设计,其具有以下特点:简化了系统结构、降低 了制造成本、提高了系统适用性。该系统在高清视频迅速普及的未来将会产生重要的应用 价值,在军事加解密领域将有着广阔的应用前景。
[0023] 2、本发明方法对光学加解密的光学系统进行了设计,并得到了较好的加解密效 果;
[0024] 3、本发明首次提出了基于双随机相位编码与三色复合光栅编码相结合的方式对 视频传输进行加解密。

【专利附图】

【附图说明】
[0025] 图1是本发明光学加解密系统框图。
[0026] 图2是本发明双随机相位编码技术光学实现示意图。
[0027] 图3为本发明三色光栅组成结构。
[0028] 图4为本发明彩色图像编码光学系统。
[0029] 图5为本发明傅里叶镜组光路图。
[0030] 图6为本发明调制传递函数MTF曲线。
[0031] 图7为本发明波前图。
[0032] 图8为本发明光学加解密光学系统。
[0033] 图9为本发明光学加解密仿真结果。

【具体实施方式】
[0034] 下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
[0035] 本发明设计的光学加解密系统可嵌入视频采集系统,具体设计为在视频采集光学 系统与成像感光元件内增加一组光学加密系统,该光学加密系统由三色复合光栅、傅式透 镜组和两块随机相位板组成。视频光学信号经过三色复合光栅对彩色图像进行分离,将彩 色图像分解成红、绿、蓝三个分量的灰度信号。将其中的一路灰度信号作为加密源进行双 随机相位编码。双随机相位编码利用两块随机相位板和一组傅式透镜组组成,采用的是 4-F系统。将一块随机相位板放在光学系统的输入位置,对具有红、绿、蓝三色信息的图像 f(x,y)的空间信息进行置乱后图像变为f'(x,y),然后在傅式透镜组中经傅里叶变换后变 为g(x,y),然后用第二块随机相位板对傅里叶变换后的频谱图像再进行一次信息置乱将图 像变为g'(X,y),最后再在傅式透镜组中经过一次傅里叶逆变换得到统计特性随时间平移 不变化的平稳白噪声I(x,y)。f(x,y)既可以是振幅型的实函数,也可以是经过预编码为相 位型的虚函数。如果经过预编码的话,破译将会更加困难,并能提高图像解密的抗噪声能 力。
[0036] 随机相位板中的相位函数p(x,y)与相位函数b(u,v)分别为[0, 1]之间均匀分布 的随机数列,其中u,v分别为傅里叶空间坐标,则加密后的图像可以表示为:
[0037] I(x,y) = Fr1{FT[f(x,y)ei2"p(x'y)] Xei2"b(u'v)}
[0038] 因为光路可逆,所以解密只是加密的逆过程。由于接收解密图像时用的光强敏感 器件,因此如果f( x,y)是实函数,只需要傅立叶谱平面的加密密钥的复共轭作为解密密 钥,而如果f(x,y)是虚函数,则需要两块随机相位板对应的复共轭作为解密密钥。
[0039] 图1为本发明光学加解密系统框图。系统由加密和解密两部分组成。目标光线通 过光学成像镜头成像后进入光学加密镜头,加密后在CCD成像感光芯片上将加密后的光学 成像记录下来,并通过有线或者无线网络传输出去。解密是一个其的逆过程,将加密镜头 倒置即可作为解密镜头使用。网络传输回来的图像经过电光转换后,经过光学解密镜头在 CCD成像芯片上成解密后的真实图像,然后通过电脑服务器进行存储,并用终端设备将图像 予以显示。
[0040] 图2为本发明双随机相位编码技术光学实现示意图。先把第一块随机相位板1放 在光学系统的输入位置,对图像f(x,y)的空间信息进行置乱后图像变为f'(x,y),然后经 傅式透镜组的傅里叶变换镜2后变为g (X,y),然后再用第二块随机相位板3对傅里叶变换 后的频谱图像再进行一次信息置乱图像变为g'(X,y),然后再经傅式透镜组的傅里叶逆变 换镜4进行傅里叶反变换得到统计特性随时间平移不变化的平稳白噪声I (X,y),在显示板 5上显示。f(x,y)既可以是振幅型的实函数,也可以是经过预编码为相位型的虚函数。如 果经过预编码的话,破译将会更加困难,并能提高图像解密的抗噪声能力。
[0041] 图3为本发明三色光栅组成结构。三色复合光栅是一种特殊的空间光调制器,由 横向、坚向、135度方向三个Ronchi子光栅叠加组成。目前利用计算机辅助制造技术在一块 材料上即可制作。三个Ronchi子光栅能分别透过红色、绿色、蓝色,并对其进行空间频率调 制,调制后衍射光波按子光栅的方向进行传播。从而使一级频谱分别照射到各自的位置上, 实现各衍射一级频谱的分离。
[0042] 图4为本发明彩色图像编码光学系统。通过光学镜组6后,用三色光栅8对彩色 图像7进行灰度编码得到灰度图像9,然后再进入加密光学系统。
[0043] 图5为本发明傅里叶镜组光路图。傅里叶变换透镜的主要参数有相对孔径、焦距 和能处理的最高空间频率N max相当于分辨率。而傅里叶变换透镜的最高空间分辨率Nmax必 须大于图像传感器的最高空间频率ξ _,图像传感器的最高空间频率由传感器像元大小决 定(即线对分辨率)。经初步选型后初步确定使用三片式双胶合透镜作为初始结构。
[0044] 图6为本发明调制传递函数MTF曲线。图中可见傅里叶变换透镜的各视场的传递 函数曲线与衍射极限几乎重合,并在在60线对/mm处的MTF值达到了 0. 78以上。
[0045] 图7为本发明波前图。图中可见系统的PTV值为0.1519 λ,小于瑞利判据的 0.25 λ标准。因此可以看出系统已经达到了较好的成像质量。
[0046] 图8为本发明光学加解密光学系统镜头。傅里叶镜组设计好之后,就可对整体加 解密系统进行设计。
[0047] 图9为光学加解密仿真结果图。其中图9 (a)是一副大小为512X512-幅彩色图 像,图9(b)是将彩色图像编码后的图像,图9(c)是编码后图像的频谱图像,图9(d)是采用 双随机相位加密技术对图9(b)加密后的接近于白噪声的图片,图9(e)是解密后得到的编 码灰度图像,图9(f)是解码后的彩色图像。
【权利要求】
1. 一种基于双随机相位编码的视频光学加解密系统,包括加密系统与解密系统,其特 征在于,二者的物理结构相同,均包括傅式透镜组和两块随机相位板,其中 : 在加密系统中: 所述傅式透镜组和两块随机相位板组成4-F系统,用于将图像信号进行双随机相位编 码; 在解密系统中: 所述傅式透镜组和两块随机相位板组成4-F系统,用于将加密信号进行双随机相位解 码,解码得到单一通道的灰度图像。
2. 根据权利要求1所述的基于双随机相位编码的视频光学加解密系统,其特征在于, 所述加密系统还包括色散元件,色散元件为三色复合光栅,在加密系统中,彩色图像被色散 成一幅同时具有红、绿、蓝三个分量的灰度图像,该灰度图像作为加密源。
3. 根据权利要求1所述的基于双随机相位编码的视频光学加解密系统,其特征在于, 在加密系统中,第一块随机相位板放置在4-F系统的物面,将加密源图像中的单帧图像置 舌L置乱后的图像经过傅式透镜组进行傅里叶变换得到频谱图像;第二块随机相位板放置 在频谱面上,对置乱后的图像的频谱图像再进行一次信息置乱,最后将置乱的频谱图像经 过傅里叶逆变换转换到空间域。
4. 根据权利要求3所述的基于双随机相位编码的视频光学加解密系统,其特征在于, 在解密系统中,待解密的图像逆向经过傅式透镜组进行傅里叶变换,将图像变换回频谱图 像,然后经过第二块随机相位板,恢复成置乱前的频谱图像;再逆向经过傅式透镜组进行 傅里叶逆变换,恢复成空间域图像,再经过第一块随机相位板,将图像恢复成加密前的具有 红、绿、蓝综合信息的灰度图像。
5. 基于双随机相位编码的视频光学加解密方法,其特征在于:在视频采集光学系统与 成像感光芯片之间加入加密系统和解密系统,加密过程为: 首先将彩色视频信号色散为一幅同时具有红、绿、蓝信息的灰度图像; 然后将上述灰度图像做为加密源进行双随机相位编码; 成像感光芯片上获取经过双随机相位编码后的均匀随机噪声; 解密过程为: 在解密时,待解密图像进行解码,得到同时具有红、绿、蓝信息的加密前的灰度图像,然 后通过数字解码将具有红、绿、蓝信息灰度图像回复成彩色图像,然后推送到上位机进行显 /_J、1 〇
6. 根据权利要求1所述的基于双随机相位编码的视频光学加解密系统,其特征在于, 所述加密过程中,通过色散元件将彩色图像信号色散为同时具有红、绿、蓝信息的灰度图像 信号,通过傅式透镜组和两块随机相位板对灰度信号进行编码,所述两块随机相位板分别 放置在物面和频谱面,分别在空间域和频谱域对图像进行置乱。
7. 根据权利要求6所述的基于双随机相位编码的视频光学加解密系统,其特征在于, 所述解密过程中,待解密的图像逆向经过傅式透镜组进行傅里叶变换,将图像变换回频谱 图像,然后经过第二块随机相位板,回复成置乱前的频谱图像,然后再逆向经过傅式镜组进 行傅里叶逆变换,恢复成空间域图像,再经过第一块随机相位板,将图像恢复成加密前的具 有红、绿、蓝综合信息的灰度图像。
【文档编号】H04N21/4402GK104159073SQ201410346953
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月21日 优先权日:2014年7月21日
【发明者】王洪伟 申请人:中国人民武装警察部队工程大学
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