《图像加密方法研究的国内外文献综述》4700字

图像加密方法研究的国内外文献综述最开始，人们在全息防伪技术中使用了光学信息技术，通过将特定的全息图贴在需要认证的物品上，如：证件上、银行卡上、小型镭射盘（CompactDisk,CD）上来防止盗版，人们通过肉眼观察就可以分辨出东西是否为正品。这种防盗版的手段凭借着其价格低廉，实行简单的优点受到了广泛推广。但是这种防盗手段很快就被淘汰了，究其原因是其用于防伪的全息信息很容易被攻击者获取，只要使用相机拍照或者电荷耦合器件（Charge-coupledDevice,CCD）相机就可以获取防伪标志中的全部信息，所以当时的人们不得不使用一些新的加密方法来对信息进行加密。Horner提出使用纯相位掩膜替代全息图，因为CCD相机无法获得纯相位掩模的相关信息[1]。1995，Refregier等人提出了著名的双随机相位光学加密技术，他们通过线性光学信息处理系统实现了这一加密方法，使用两个随机相位掩模作为密钥进行传输[2]。首先加密时，在空域使用第一块随机相位掩模调制原文图像，之后对调制过的呈类噪声分布的密文进行傅里叶变换，再在频域将其与另一随机相位掩模进行调制，再使用一块透镜对调制后的结果进行傅里叶逆变换，从而得到加密后的结果[2]。该加密方案使用两块随机相位掩模分别在空域和频域对密文进行了调制，因此得到的加密结果呈现类似噪声的形式，实现了掩盖图像真实信息的作用。2000年，Unnikrishnan等人对双随机相位加密技术进行了改进，为了扩展传统双随机相位加密技术的密钥空间，他们使用分数傅里叶变换（FractionalFourierTransform）对图像进行处理，因此分数傅里叶变换的阶数也可以作为密钥进行传输，所以起到了扩展密钥空间的作用，提高了系统的鲁棒性[3]。2004年Situ等人对这一加密技术继续进行了改进，使用菲涅耳变换（FresnelTransform）对图像进行处理，因此菲涅尔衍射过程中的参数，如：衍射距离和光波波长，也可以作为密钥用于加密，扩展了密钥空间[4]。而且菲涅尔变换可以通过平板透镜和平板反射镜实现，不同于以往只能使用曲面透镜实现光学变换，其成本更低，加工也更简单。2007年，Rodrigo等人使用Gyrator变换对图像进行变换，使用Gyrator变换的角度、光栅的频率及光栅的旋转角度作为加密密钥进一步的扩展了加密系统的密钥空间，增强了系统的鲁棒性[5]。除了对灰度图像加密外，这些加密算法也常常用于彩色图像加密，通常来讲彩色图像的像素都由红绿蓝（RedGreenBlue,RGB）分量组成，对应人类视觉的三基色即红、绿、蓝三个波段。因此显而易见，彩色图像中包含的信息量更多，一幅彩色图像中包含的信息是像素数相同的灰度图像的三倍，因此彩色图像加密的过程更加复杂也更难实现。根据加密和解密使用的密钥是否相同，可以分为对称加密算法和非对称加密算法。与对称加密算法相比，非对称加密算法的加密速度较慢，但是非对称加密算法的安全性高要远高于对称加密算法，在绝大多数的信息传输过程中都使用非对称加密算法进行加密，以保护通信系统的安全性。Chen等人提出了一种基于菲涅耳变换的光学彩色图像加密算法，先使用三个波长不同的激光同时照射待加密图像，获得其红、绿、蓝分量，然后分别对三个分量进行加密，最后将加密结果进行组合[6]。Yang等提出了一种单通道彩色图像加密方法，首先将彩色图像转换到HSI（Hue-Saturation-Intensity）空间，使用双随机相位加密方法对I分量加密，S分量加密后得到的相位信息与H分量作为加密时使用的两个相位[7]。Gao等人提出利用三色光栅对彩色图像进行编码，再利用双随机相位加密技术对其加密[8]。Abuturab提出了一种基于Hartley变换和Gyrator变换的单通道彩色图像加密方法，首先对原始图像的三种颜色分量进行Hartley变换，然后将变换后的结果乘作为密文[9]。Wang等提出了一种基于离散四元数傅里叶变换和双随机相位加密的彩色图像加密方法，降低了加密系统的复杂性[10]。2010年，Wang等人在双随机相位加密方案的基础上引入了相位截断，加密时首先在空域将图像与第一块随机相位掩模进行调制，之后再进行傅里叶变换，对得到的频域图像进行相位截断和振幅截断，相位截断的结果与另一随机相位掩模进行调制，再进行傅里叶逆变换相位截断和振幅截断，相位截断后的图像作为密文发送，两次振幅截断后得到的相位信息作为私钥用于解密过程[11]。该加密算法加密过程中使用的公钥为两个随机相位掩模，解密时使用的私钥为加密过程中生成的两个相位信息，因为公钥与私钥不同，从而实现了非对称加密，而且在加密过程中引入相位截断和振幅截断使得加密系统可以抵抗选择明文攻击，但是这种加密方案易受到特殊攻击。2017年Cai等人提出了一种基于相干叠加和等模分解的光学非对称加密系统。在加密过程中，将加密系统的非对称单元级联。在第一个单元中，只生成一个相位与公钥不同的掩模，用作第二个单元的输入。因此，改进后的密码系统减少了攻击者可用的约束条件，使该密码系统对迭代攻击具有很高的鲁棒性[12]。Kumar等人提出了一种基于柯尔莫哥洛夫相位屏和等模分解的非对称加密方法，将原文图像随机化后进行菲涅尔变换，之后使用随机相位掩模调制菲涅尔域中的输出，再对其进行Gyrator变换，使用等模分解把得到的结果分解为两幅复图像，其中一幅作为密钥传输，另一幅则通过指定距离的四个柯尔莫哥洛夫相位屏进行传输以得到最终的加密图像[13]。2019年Chen等人提出了基于等模分解离散分数随机变换域的非对称彩色图像加密系统。该加密系统首先将彩色图像加密为单通道图像，通过离散小波变换将单通道图像分为低频图像和高频图像，使用压缩感知将高频图像压缩为两个矩阵，其中一个矩阵与低频图像组合作为离散分数随机变换的一个输入，另一矩阵作为离散分数随机变换的另一个输入，最后使用等模分解对输出结果进行分解，生成一个陷门单向函数，从而实现加密[14]。由于快速响应编码的大容量、高安全性的特性，许多学者也将快速响应码引入到了图像加密技术中，2017年Sui等人提出了一种基于快速响应码和高纬混沌系统的Gyrator变换域的光学无噪声图像加密系统，首先将图像转为快速响应码，然后进行双随机相位编码，之后通过两个级联的Gyrator变换将图像加密为类似噪声分布的密文[15]。2018年Kumar等人提出了一种基于螺旋相位变换、等模分解和奇异值分解的非线性快速响应码的光学图像加密技术，首先将图像转换为快速响应码，之后与螺旋相位掩模相乘，再对这个乘积进行螺旋相位变换，对变换后的结果进行等模分解，生成两个复图像，其中一个作为解密密钥，另一个进行菲涅耳变换，再在菲涅尔域对其进行奇异值分解，生成两个酉矩阵和一个对角矩阵，两个酉矩阵使用不同的调制方式调制，将调制后的结果和对角矩阵进行逆奇异值分解，得到最后的加密图像[16]。2018年Kumar等人提出了一种基于快速响应码的非线性图像加密技术，将图像转为快速响应码后进行Arnold置乱，再进行Shearlet变换，把图像分解为五个系数，使用安全密钥替换第一个系数，再用随机相位掩模进行调制，再对其进行螺旋相位变换[17]。由于混沌系统生成的混沌序列具有伪随机性，而且初始状态和参数相同的情况下生成的随机序列是确定的，且混沌系统的实现简单加密速度快，因此也有许多学者将混沌系统应用到了图像加密技术中，大多是将原始图像和混沌系统生成的为伪随机序列进行某种运算，从而使加密后的图像呈现噪声的状态。2017年Chen等人提出了一种基于Gyrator变换域等模分解的彩色图像非对称光学加密系统，该系统使用等模分解创建有效的陷门单向函数，为提高加密系统的安全性，使用了Baker映射对彩色图像的彩色分量进行置乱[18]。2018年等人，设计了一种使用混沌结构相位掩模、等模分解和分数傅里叶变换的对称密码系统。该系统的加解密过程完全采用分数傅里叶域双随机相位编码，使用混沌结构相位掩模代替随机相位掩模，利用logistic映射生成混沌结构相位掩模，使用等模分解对密码系统进行加解密[19]。2019年Chen等人提出了一种基于混沌Ushiki映射和等模分解的分数傅里叶变换域的非对称彩色密码系统，该系统首先将彩色图像编码为灰度格式并在单通道光学系统中加密，采用等模分解计算有效的陷门单向函数[20]。使用Ushiki混沌系统生成分数傅里叶变换的随机相位掩模和一个用于加密私钥的随机序列。2020年Su等人提出一种非对称加密方案，使用混沌Henon映射和指纹生成混沌指纹相位掩模代替传统随机相位掩模，发送方和接收方共享指纹，就只需要传送混沌系统的参数即可进行解密，方便了密钥的管理和传输，提高了加密系统的安全性[21]。2020年陶珊等人提出了一种基于矢量分解和混沌随机相位掩模编码的光学非对称彩色图像加密方法，该加密方法对传统双随机相位加密技术进行了改进，用二维Henon混沌映射生成的两个混沌相位掩模替代双随机相位掩模，将混沌系统的初始值和控制参数作为密钥，增加密钥空间，提高了加密系统的安全性[22]。光子计数即基于光的粒子性，把各光电子脉冲一个个地记录下来，以一定时间内的计数多少来表示信号的大小，因该技术可以应用于一些图像加密方法，所以在图像图像加密领域饱受关注。Rajput等人提出了一种结合光子计数成像和相位截断菲涅尔变换的光学非对称加密系统，该加密方法首先对图像做菲涅耳变换，在菲涅尔域对需要加密的图像进行相位截断，相位截断后的结果使用光子计数成像进行编码，这种方法克服了基于光子计数方法的双随机相位编码方案的缺点[23]。除传统的双随机相位加密技术外，也有一些使用迭代算法对图像加密的算法，这种算法的扩展性很强，但通常所需的计算量都很大。2018年Piao等人提出了一种菲涅尔变换域和分数傅里叶变换域的基于相位恢复算法的多深度三维图像加密方法，该系统通过使用基于双随机相位编码结构的相位检索算法来实现加密，两个加密密钥在每次迭代循环中不断更新，通过两个级联的菲涅尔变换和分数傅里叶变换生成纯相位函数作为解密密钥，可以有效减少加密三维图像的散斑噪声和串扰[24]。为提高加密效率也有许多学者在研究多图像加密系统[25]。2014年，秦怡等人利用随机相位板复用技术，提出了一种基于干涉原理的光学图像加密系统，利用该方法可将多幅图像信息解析地隐藏于两个纯相位板中[26]。2017年，Su等人提出了一种使用三叉树结构加密多幅彩色图像的光学加密方法，该加密方案先将彩色图像编码为复矩阵，再使用随机相位掩模和随机振幅掩模对图像进行调制，再引入相位截断以抵抗选择明文攻击，从而实现对单幅图像加密，再根据三叉树结构对密文进行编码以实现加密多幅图像，提高了加密系统的安全性[27]。参考文献[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.Applicationsofgyratortransfo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