一種基于雙隨機(jī)相位編碼的視頻光學(xué)加解密系統(tǒng)及方法
【專利摘要】一種基于雙隨機(jī)相位編碼的視頻光學(xué)加解密系統(tǒng)，包括加密系統(tǒng)與解密系統(tǒng)，二者的物理結(jié)構(gòu)相同，均包括傅式透鏡組和兩塊隨機(jī)相位板，在加密系統(tǒng)中傅式透鏡組和兩塊隨機(jī)相位板組成4-F系統(tǒng)，用于將圖像信號進(jìn)行雙隨機(jī)相位編碼；在解密系統(tǒng)中傅式透鏡組和兩塊隨機(jī)相位板組成4-F系統(tǒng)，用于將加密信號進(jìn)行雙隨機(jī)相位解碼，解碼得到單一通道的灰度圖像，本發(fā)明還提供了基于雙隨機(jī)相位編碼的視頻光學(xué)加解密方法，本發(fā)明首次將光學(xué)加密應(yīng)用在視頻加密領(lǐng)域，降低了加解密時間，極大提高了視頻傳輸性能，可以為高清視頻技術(shù)迅速普及的未來和軍事加解密領(lǐng)域提供有利的技術(shù)支持。
【專利說明】-種基于雙隨機(jī)相位編碼的視頻光學(xué)加解密系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于視頻監(jiān)控【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種基于雙隨機(jī)相位編碼的視頻光學(xué)加 解密系統(tǒng)及方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 信息通信中的圖像偵查技術(shù)在各行各業(yè)進(jìn)行了大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用，高清時代隨著軟 硬件的快速發(fā)展已經(jīng)來臨。目前視頻監(jiān)控圖像數(shù)據(jù)量越來越大，視頻監(jiān)控系統(tǒng)覆蓋面越來 越廣、對圖像的辨識度的要求也越來越高，高清化成為了未來的一種發(fā)展趨勢。但是由于監(jiān) 控領(lǐng)域的某些加密需求，圖像數(shù)據(jù)量的增大將會對加密算法提出嚴(yán)峻的考驗(yàn)，圖像尺寸的 增大將會嚴(yán)重增加加密算法的開支以及加解密的運(yùn)算時間。因此進(jìn)行快速有效地加解密算 法的研究就成為了一項(xiàng)重要的研究方向。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種基于雙隨機(jī)相位編碼 的視頻光學(xué)加解密系統(tǒng)及方法，在視頻監(jiān)控領(lǐng)域進(jìn)行光學(xué)加解密，降低了加解密時間，極大 提高了視頻傳輸性能，可以為高清視頻技術(shù)迅速普及的未來和軍事加解密領(lǐng)域提供有利的 技術(shù)支持。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0005] -種基于雙隨機(jī)相位編碼的視頻光學(xué)加解密系統(tǒng)，包括加密系統(tǒng)與解密系統(tǒng)，二 者的物理結(jié)構(gòu)相同，均包括傅式透鏡組和兩塊隨機(jī)相位板，其中：
[0006] 在加密系統(tǒng)中：
[0007] 所述傅式透鏡組和兩塊隨機(jī)相位板組成4-F系統(tǒng)，用于將圖像信號進(jìn)行雙隨機(jī)相 位編碼；
[0008] 在解密系統(tǒng)中：
[0009] 所述傅式透鏡組和兩塊隨機(jī)相位板組成4-F系統(tǒng)，用于將加密信號進(jìn)行雙隨機(jī)相 位解碼，解碼得到單一通道的灰度圖像。
[0010] 所述加密系統(tǒng)還包括色散元件，色散元件為三色復(fù)合光柵，在加密系統(tǒng)中，彩色圖 像被色散成一幅同時具有紅、綠、藍(lán)三個分量的灰度圖像，該灰度圖像作為加密源。
[0011] 在加密系統(tǒng)中，第一塊隨機(jī)相位板放置在4-F系統(tǒng)的物面，將加密源圖像中的單 幀圖像置亂，置亂后的圖像經(jīng)過傅式透鏡組進(jìn)行傅里葉變換得到頻譜圖像；第二塊隨機(jī)相 位板放置在頻譜面上，對置亂后的圖像的頻譜圖像再進(jìn)行一次信息置亂，最后將置亂的頻 譜圖像經(jīng)過傅里葉逆變換轉(zhuǎn)換到空間域。
[0012] 在解密系統(tǒng)中，待解密的圖像逆向經(jīng)過傅式透鏡組進(jìn)行傅里葉變換，將圖像變換 回頻譜圖像，然后經(jīng)過第二塊隨機(jī)相位板，恢復(fù)成置亂前的頻譜圖像；再逆向經(jīng)過傅式透鏡 組進(jìn)行傅里葉逆變換，恢復(fù)成空間域圖像，再經(jīng)過第一塊隨機(jī)相位板，將圖像恢復(fù)成加密前 的具有紅、綠、藍(lán)綜合信息的灰度圖像。
[0013] 本發(fā)明還提供了基于雙隨機(jī)相位編碼的視頻光學(xué)加解密方法，在視頻采集光學(xué)系 統(tǒng)與成像感光芯片之間加入加密系統(tǒng)和解密系統(tǒng)，加密過程為：
[0014] 首先將彩色視頻信號色散為一幅同時具有紅、綠、藍(lán)信息的灰度圖像；
[0015] 然后將上述灰度圖像做為加密源進(jìn)行雙隨機(jī)相位編碼；
[0016] 成像感光芯片上獲取經(jīng)過雙隨機(jī)相位編碼后的均勻隨機(jī)噪聲；
[0017] 解密過程為：
[0018] 在解密時，待解密圖像進(jìn)行解碼，得到同時具有紅、綠、藍(lán)信息的加密前的灰度圖 像，然后通過數(shù)字解碼將具有紅、綠、藍(lán)信息灰度圖像回復(fù)成彩色圖像，然后推送到上位機(jī) 進(jìn)行顯示。
[0019] 所述加密過程中，通過色散元件將彩色圖像信號色散為同時具有紅、綠、藍(lán)信息的 灰度圖像信號，通過傅式透鏡組和兩塊隨機(jī)相位板對灰度信號進(jìn)行編碼，所述兩塊隨機(jī)相 位板分別放置在物面和頻譜面，分別在空間域和頻譜域?qū)D像進(jìn)行置亂。
[0020] 所述解密過程中，待解密的圖像逆向經(jīng)過傅式透鏡組進(jìn)行傅里葉變換，將圖像變 換回頻譜圖像，然后經(jīng)過第二塊隨機(jī)相位板，回復(fù)成置亂前的頻譜圖像，然后再逆向經(jīng)過傅 式鏡組進(jìn)行傅里葉逆變換，恢復(fù)成空間域圖像，再經(jīng)過第一塊隨機(jī)相位板，將圖像恢復(fù)成加 密前的具有紅、綠、藍(lán)綜合信息的灰度圖像。
[0021] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0022] 1、本發(fā)明提供的在視頻監(jiān)控領(lǐng)域進(jìn)行光學(xué)加解密并設(shè)計(jì)的基于雙隨機(jī)相位編碼 的單通道加解密光學(xué)系統(tǒng)，針對快速有效地加解密算法研究，首次將光學(xué)加密應(yīng)用在視頻 加密領(lǐng)域，根據(jù)視頻傳輸?shù)奶匦赃M(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其具有以下特點(diǎn)：簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、降低 了制造成本、提高了系統(tǒng)適用性。該系統(tǒng)在高清視頻迅速普及的未來將會產(chǎn)生重要的應(yīng)用 價值，在軍事加解密領(lǐng)域?qū)⒂兄鴱V闊的應(yīng)用前景。
[0023] 2、本發(fā)明方法對光學(xué)加解密的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并得到了較好的加解密效 果；
[0024] 3、本發(fā)明首次提出了基于雙隨機(jī)相位編碼與三色復(fù)合光柵編碼相結(jié)合的方式對 視頻傳輸進(jìn)行加解密。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖1是本發(fā)明光學(xué)加解密系統(tǒng)框圖。
[0026] 圖2是本發(fā)明雙隨機(jī)相位編碼技術(shù)光學(xué)實(shí)現(xiàn)示意圖。
[0027] 圖3為本發(fā)明三色光柵組成結(jié)構(gòu)。
[0028] 圖4為本發(fā)明彩色圖像編碼光學(xué)系統(tǒng)。
[0029] 圖5為本發(fā)明傅里葉鏡組光路圖。
[0030] 圖6為本發(fā)明調(diào)制傳遞函數(shù)MTF曲線。
[0031] 圖7為本發(fā)明波前圖。
[0032] 圖8為本發(fā)明光學(xué)加解密光學(xué)系統(tǒng)。
[0033] 圖9為本發(fā)明光學(xué)加解密仿真結(jié)果。

【具體實(shí)施方式】
[0034] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式。
[0035] 本發(fā)明設(shè)計(jì)的光學(xué)加解密系統(tǒng)可嵌入視頻采集系統(tǒng)，具體設(shè)計(jì)為在視頻采集光學(xué) 系統(tǒng)與成像感光元件內(nèi)增加一組光學(xué)加密系統(tǒng)，該光學(xué)加密系統(tǒng)由三色復(fù)合光柵、傅式透 鏡組和兩塊隨機(jī)相位板組成。視頻光學(xué)信號經(jīng)過三色復(fù)合光柵對彩色圖像進(jìn)行分離，將彩 色圖像分解成紅、綠、藍(lán)三個分量的灰度信號。將其中的一路灰度信號作為加密源進(jìn)行雙 隨機(jī)相位編碼。雙隨機(jī)相位編碼利用兩塊隨機(jī)相位板和一組傅式透鏡組組成，采用的是 4-F系統(tǒng)。將一塊隨機(jī)相位板放在光學(xué)系統(tǒng)的輸入位置，對具有紅、綠、藍(lán)三色信息的圖像 f(x，y)的空間信息進(jìn)行置亂后圖像變?yōu)閒'（x，y)，然后在傅式透鏡組中經(jīng)傅里葉變換后變 為g(x，y)，然后用第二塊隨機(jī)相位板對傅里葉變換后的頻譜圖像再進(jìn)行一次信息置亂將圖 像變?yōu)間'（X，y)，最后再在傅式透鏡組中經(jīng)過一次傅里葉逆變換得到統(tǒng)計(jì)特性隨時間平移 不變化的平穩(wěn)白噪聲I(x，y)。f(x，y)既可以是振幅型的實(shí)函數(shù)，也可以是經(jīng)過預(yù)編碼為相 位型的虛函數(shù)。如果經(jīng)過預(yù)編碼的話，破譯將會更加困難，并能提高圖像解密的抗噪聲能 力。
[0036] 隨機(jī)相位板中的相位函數(shù)p(x，y)與相位函數(shù)b(u，v)分別為[0, 1]之間均勻分布 的隨機(jī)數(shù)列，其中u，v分別為傅里葉空間坐標(biāo)，則加密后的圖像可以表示為：
[0037] I(x,y) = Fr1{FT[f(x,y)ei2"p(x'y)] Xei2"b(u'v)}
[0038] 因?yàn)楣饴房赡妫越饷苤皇羌用艿哪孢^程。由于接收解密圖像時用的光強(qiáng)敏感 器件，因此如果f( x，y)是實(shí)函數(shù)，只需要傅立葉譜平面的加密密鑰的復(fù)共軛作為解密密 鑰，而如果f(x，y)是虛函數(shù)，則需要兩塊隨機(jī)相位板對應(yīng)的復(fù)共軛作為解密密鑰。
[0039] 圖1為本發(fā)明光學(xué)加解密系統(tǒng)框圖。系統(tǒng)由加密和解密兩部分組成。目標(biāo)光線通 過光學(xué)成像鏡頭成像后進(jìn)入光學(xué)加密鏡頭，加密后在CCD成像感光芯片上將加密后的光學(xué) 成像記錄下來，并通過有線或者無線網(wǎng)絡(luò)傳輸出去。解密是一個其的逆過程，將加密鏡頭 倒置即可作為解密鏡頭使用。網(wǎng)絡(luò)傳輸回來的圖像經(jīng)過電光轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過光學(xué)解密鏡頭在 CCD成像芯片上成解密后的真實(shí)圖像，然后通過電腦服務(wù)器進(jìn)行存儲，并用終端設(shè)備將圖像 予以顯示。
[0040] 圖2為本發(fā)明雙隨機(jī)相位編碼技術(shù)光學(xué)實(shí)現(xiàn)示意圖。先把第一塊隨機(jī)相位板1放 在光學(xué)系統(tǒng)的輸入位置，對圖像f(x，y)的空間信息進(jìn)行置亂后圖像變?yōu)閒'（x，y)，然后經(jīng) 傅式透鏡組的傅里葉變換鏡2后變?yōu)間 (X，y)，然后再用第二塊隨機(jī)相位板3對傅里葉變換 后的頻譜圖像再進(jìn)行一次信息置亂圖像變?yōu)間'（X，y)，然后再經(jīng)傅式透鏡組的傅里葉逆變 換鏡4進(jìn)行傅里葉反變換得到統(tǒng)計(jì)特性隨時間平移不變化的平穩(wěn)白噪聲I (X，y)，在顯示板 5上顯示。f(x，y)既可以是振幅型的實(shí)函數(shù)，也可以是經(jīng)過預(yù)編碼為相位型的虛函數(shù)。如 果經(jīng)過預(yù)編碼的話，破譯將會更加困難，并能提高圖像解密的抗噪聲能力。
[0041] 圖3為本發(fā)明三色光柵組成結(jié)構(gòu)。三色復(fù)合光柵是一種特殊的空間光調(diào)制器，由 橫向、堅(jiān)向、135度方向三個Ronchi子光柵疊加組成。目前利用計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)在一塊 材料上即可制作。三個Ronchi子光柵能分別透過紅色、綠色、藍(lán)色，并對其進(jìn)行空間頻率調(diào) 制，調(diào)制后衍射光波按子光柵的方向進(jìn)行傳播。從而使一級頻譜分別照射到各自的位置上， 實(shí)現(xiàn)各衍射一級頻譜的分離。
[0042] 圖4為本發(fā)明彩色圖像編碼光學(xué)系統(tǒng)。通過光學(xué)鏡組6后，用三色光柵8對彩色 圖像7進(jìn)行灰度編碼得到灰度圖像9,然后再進(jìn)入加密光學(xué)系統(tǒng)。
[0043] 圖5為本發(fā)明傅里葉鏡組光路圖。傅里葉變換透鏡的主要參數(shù)有相對孔徑、焦距 和能處理的最高空間頻率N max相當(dāng)于分辨率。而傅里葉變換透鏡的最高空間分辨率Nmax必 須大于圖像傳感器的最高空間頻率ξ _，圖像傳感器的最高空間頻率由傳感器像元大小決 定（即線對分辨率）。經(jīng)初步選型后初步確定使用三片式雙膠合透鏡作為初始結(jié)構(gòu)。
[0044] 圖6為本發(fā)明調(diào)制傳遞函數(shù)MTF曲線。圖中可見傅里葉變換透鏡的各視場的傳遞 函數(shù)曲線與衍射極限幾乎重合，并在在60線對/mm處的MTF值達(dá)到了 0. 78以上。
[0045] 圖7為本發(fā)明波前圖。圖中可見系統(tǒng)的PTV值為0.1519 λ，小于瑞利判據(jù)的 0.25 λ標(biāo)準(zhǔn)。因此可以看出系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了較好的成像質(zhì)量。
[0046] 圖8為本發(fā)明光學(xué)加解密光學(xué)系統(tǒng)鏡頭。傅里葉鏡組設(shè)計(jì)好之后，就可對整體加 解密系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
[0047] 圖9為光學(xué)加解密仿真結(jié)果圖。其中圖9 (a)是一副大小為512X512-幅彩色圖 像，圖9(b)是將彩色圖像編碼后的圖像，圖9(c)是編碼后圖像的頻譜圖像，圖9(d)是采用 雙隨機(jī)相位加密技術(shù)對圖9(b)加密后的接近于白噪聲的圖片，圖9(e)是解密后得到的編 碼灰度圖像，圖9(f)是解碼后的彩色圖像。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于雙隨機(jī)相位編碼的視頻光學(xué)加解密系統(tǒng)，包括加密系統(tǒng)與解密系統(tǒng)，其特 征在于，二者的物理結(jié)構(gòu)相同，均包括傅式透鏡組和兩塊隨機(jī)相位板，其中 ： 在加密系統(tǒng)中： 所述傅式透鏡組和兩塊隨機(jī)相位板組成4-F系統(tǒng)，用于將圖像信號進(jìn)行雙隨機(jī)相位編 碼； 在解密系統(tǒng)中： 所述傅式透鏡組和兩塊隨機(jī)相位板組成4-F系統(tǒng)，用于將加密信號進(jìn)行雙隨機(jī)相位解 碼，解碼得到單一通道的灰度圖像。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙隨機(jī)相位編碼的視頻光學(xué)加解密系統(tǒng)，其特征在于， 所述加密系統(tǒng)還包括色散元件，色散元件為三色復(fù)合光柵，在加密系統(tǒng)中，彩色圖像被色散 成一幅同時具有紅、綠、藍(lán)三個分量的灰度圖像，該灰度圖像作為加密源。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙隨機(jī)相位編碼的視頻光學(xué)加解密系統(tǒng)，其特征在于， 在加密系統(tǒng)中，第一塊隨機(jī)相位板放置在4-F系統(tǒng)的物面，將加密源圖像中的單幀圖像置 舌L置亂后的圖像經(jīng)過傅式透鏡組進(jìn)行傅里葉變換得到頻譜圖像；第二塊隨機(jī)相位板放置 在頻譜面上，對置亂后的圖像的頻譜圖像再進(jìn)行一次信息置亂，最后將置亂的頻譜圖像經(jīng) 過傅里葉逆變換轉(zhuǎn)換到空間域。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于雙隨機(jī)相位編碼的視頻光學(xué)加解密系統(tǒng)，其特征在于， 在解密系統(tǒng)中，待解密的圖像逆向經(jīng)過傅式透鏡組進(jìn)行傅里葉變換，將圖像變換回頻譜圖 像，然后經(jīng)過第二塊隨機(jī)相位板，恢復(fù)成置亂前的頻譜圖像；再逆向經(jīng)過傅式透鏡組進(jìn)行 傅里葉逆變換，恢復(fù)成空間域圖像，再經(jīng)過第一塊隨機(jī)相位板，將圖像恢復(fù)成加密前的具有 紅、綠、藍(lán)綜合信息的灰度圖像。
5. 基于雙隨機(jī)相位編碼的視頻光學(xué)加解密方法，其特征在于：在視頻采集光學(xué)系統(tǒng)與 成像感光芯片之間加入加密系統(tǒng)和解密系統(tǒng)，加密過程為： 首先將彩色視頻信號色散為一幅同時具有紅、綠、藍(lán)信息的灰度圖像； 然后將上述灰度圖像做為加密源進(jìn)行雙隨機(jī)相位編碼； 成像感光芯片上獲取經(jīng)過雙隨機(jī)相位編碼后的均勻隨機(jī)噪聲； 解密過程為： 在解密時，待解密圖像進(jìn)行解碼，得到同時具有紅、綠、藍(lán)信息的加密前的灰度圖像，然 后通過數(shù)字解碼將具有紅、綠、藍(lán)信息灰度圖像回復(fù)成彩色圖像，然后推送到上位機(jī)進(jìn)行顯 /_J、1 〇
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙隨機(jī)相位編碼的視頻光學(xué)加解密系統(tǒng)，其特征在于， 所述加密過程中，通過色散元件將彩色圖像信號色散為同時具有紅、綠、藍(lán)信息的灰度圖像 信號，通過傅式透鏡組和兩塊隨機(jī)相位板對灰度信號進(jìn)行編碼，所述兩塊隨機(jī)相位板分別 放置在物面和頻譜面，分別在空間域和頻譜域?qū)D像進(jìn)行置亂。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于雙隨機(jī)相位編碼的視頻光學(xué)加解密系統(tǒng)，其特征在于， 所述解密過程中，待解密的圖像逆向經(jīng)過傅式透鏡組進(jìn)行傅里葉變換，將圖像變換回頻譜 圖像，然后經(jīng)過第二塊隨機(jī)相位板，回復(fù)成置亂前的頻譜圖像，然后再逆向經(jīng)過傅式鏡組進(jìn) 行傅里葉逆變換，恢復(fù)成空間域圖像，再經(jīng)過第一塊隨機(jī)相位板，將圖像恢復(fù)成加密前的具 有紅、綠、藍(lán)綜合信息的灰度圖像。
【文檔編號】H04N21/4402GK104159073SQ201410346953
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月21日
【發(fā)明者】王洪偉 申請人:中國人民武裝警察部隊(duì)工程大學(xué)