基于混沌密钥的视频单通道光学加密技术研究样本.doc

资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。基于混沌密钥的视频单通道光学加密技术研究王洪伟中国人民武装警察部队工程大学, 西安 710086摘要: 高清监控视频的加密传输是一个对监控视频传输过程有加密需求的领域, 图像数据量的增大对加密算法提出严峻考验, 严重增加加解密算法的运算开支, 影响视频传输的实时性能。本文根据视频加解密要求, 首次提出在视频监控领域进行光学加解密并设计了单通道基于双随机相位编码的加解密光学系统。该光学系统光学性能良好, 其加解密速度和光速相等, 基本将加解密时耗降为零。极大提高了视频传输性能, 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。关键字: 光学加解密;双随机相位编码;视频加密;傅里叶变换中图分类号: TH745 文献标识码: A 文章编号: Design and analysis on flexible support of tip/tilt mirror in image temWANG HongweiEngineering University of CAPF, Xian,710086,ChinaAbstract: For meeting the design requirements of accuracy, the flexible design of tip/tilt mirror assemblys support structure was proposed based on the theory of flexible design in this paper. In order to ensure the accuracy of the tip/tilt mirror while ensuring flexible support strength, a glue connection is designed between the mirror and flexible support. Whats more, the equivalent stiffness method is used to build fine finite element model in a planar-type layer for the first time. Meanwhile, Equivalent stiffness matrix is deduced and calculated. And then, the finite element model of all of tip/tilt mirror assembly is built. Keywords: tip/tilt mirror; flexible support; equivalent stiffness method; glue layer modeling0 引言国家自然基金( 41301382, 41301480) 资助武警工程大学基础研究基金( WJY 16) 资助收稿日期: -12-31 Tel: Email: 作者简介: 王洪伟, 男, 汉族, 山东莘县, 1980年出生, 讲师, 博士, 主要研究方向: 空间光学系统结构设计及CAD/CAE工程仿真随着电视行业中720p、 1080i、 1080p以及4K等高清视频的陆续出现, 监控视频行业也从最初的小分辨率逐渐走到了960H甚至1920H的高清监控时代。随着视频监控需求领域越来越多、 视频监控系统覆盖范围越来越广, 人们对监控图像细节的辨识度的要求也越来越高林冬. 高清化:数字视频监控系统发展方向J. 中国安防, ,Z1:38-39.。可是对于某些在监控视频传输过程中有加密需求的领域, 监控视频的高清化却成了加密算法的严重负担。单帧图像数据量的增大给加解密算法提出了严峻的考验, 视频图像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。因此如何快速有效地对高清视频进行加解密成为了一个难题。为了解决这一问题, 本文创新性地将光学加解密应用到了高清视频监控领域。由于光学加解密的速度与光速相等, 因此能将加解密时间基本降为零, 极大地提升了视频的传输性能。当前, 还没见到对视频图像进行光学加解密的文献出现。只有高丽娟等人在文献高丽娟,杨晓苹,李智磊,王晓雷,翟宏琛,王明伟. 一种单通道彩色图像加密方法J. 物理学报, ,02:1053-1056.中利用三色光栅对彩色图像实施了光学加密, 可是也没有涉及到视频加密领域。而且本文摒弃了该文献中使用的三色光栅的分空间彩色成像的加密方式, 而改用了液晶光阀进行分时成像。这样就避免了三色光栅分空间成像对成像CCD阵列大小的带来的压力。本设计由于是利用光学调制变换来进行加解密, 因此它不受图像分辨率增加的影响。1 视频光学加解密系统视频光学加解密系统主要由光学镜头、 液晶光阀、 基于双随机相位编码的加密镜头组、 CCD成像芯片及相关驱动电路、 网络交换机、 存储服务器等组成, 其系统框图如Error! Reference source not found.所示。光线先进入光学镜头聚焦成像, 再经液晶光阀按照红、 绿、 蓝的顺序将光线分时经过, 然后将分时经过的单色光经过利用双随机相位编码技术实现的图像加密系统, 最后在CCD感光芯片上进行成像。成像后的图像是一个几乎接近白噪声的加密后的图像。加密后的图像能够直接进入存储服务器, 进行加密存储; 或者经过网络交换机直接接入网络。由于光具有可逆性, 光学解密过程基本上相当于光学加密的逆过程。将加密系统直接传来的图像数据或者经过网络传过来的图像数据先进行一个电光转换, 然后进入倒置后的基于双随机相位编码技术的光学加密镜组, 最后再次成像就恢复成了加密前的图像。解密后的图像能够进入服务器进行存储或者经过其它显示设备进行显示。图 1监控视频光学加解密系统框图本系统的监控图像在光学加密镜组中进行了一次光学傅里叶变换和一次傅里叶反变换, 同时辅以两个随机相位板的光学置乱进行光学加密。加密后的图像接近均匀噪声, 在不知相位板排列的情况下几乎不可能恢复出来原图像。2 液晶光阀工作原理液晶光阀是一种利用电压控制液晶晶体分子轴取向来控制折射率发生变化, 进而实现不同波段的光线的选择性输出滤波装置黄翀,周学平,欧阳艳东,林旭升,吴永俊,黄远明. 液晶光阀的电光色散特性研究J.光谱学与光谱分析, ,03:539-541.,刘正云,金伟其,高教波. 红外液晶光阀光学调制特性研究J. 光学技术, ,03:403-405+408.。液晶光阀主要由液晶层、 电极、 液晶分子取向模等关键部分组成, 其具体结构如Error! Reference source not found.所示。一般情况下光轴与分子长轴方向一致, 若在透明电极两端加上一定的电压, 液晶分子的排列方向就会在电场的作用下发生变化, 从而实现电场控制的双折射效应的变化, 进而导致沿光传播方向的折射系数no, ne发生变化 吴克难,胡家升,乌旭.信息安全中的光学加密技术J.激光与光电子学进展, ,07:30-38.。当一束光经过液晶光阀中的液晶层时, 对于波长为的光线经偏振光检偏后会发生干涉, 其透过率为: (1)其中, d为液晶层的厚度, n0是液晶层在温度为T、 波长为i、 电压V=0时的双折射率。f(V)是液晶双折射率随变压变化的函数。图 2 液晶光阀结构示意图本系统就是在控制液晶光阀电压的同时配合CCD曝光顺序, 从而将一副彩色图像按照红、 绿、 蓝的顺序分时经过, 最后在灰度CCD上成三幅带具有RGB属性的灰度图像。这样的话就能将需要三组光学加密镜组的彩色图像加密简化为了只用一组光学加密镜组即可实现彩色图像加密, 简化了系统结构, 提高了加密效率。3 彩色视频图像单通道加解密彩色视频图像单通道加解密技术, 除了加解密不消耗时间的优势之外, 还具有不改变原视频加解码、 不改变原有视频传输链路的优势。本技术只需要在视频链路的前端与末端进行改造即可实现。彩色视频图像单通道加密系统是将经过液晶光阀后的灰度图像作为加密输入, 采用基于4-f系统的双随机相位加密法进行光学加密刘艺,王仕璠.位相板紧贴全息图的加密记录J.激光杂志, ,02:34-35.,席思星.基于计算全息的光学密钥的研究D.导师: 孙欣.青岛大学, .。其系统如Error! Reference source not found., 加密时, 首先利用一个随机相位板exp(i2m(x,y)对输入信号f(x,y)进行一次置乱, 然后将置乱后的图像f(x,y)再进入FT1傅里叶镜组进行一次傅里叶变换得到频谱图像g(x,y), 然后再利用第二块随机相位板exp(i2n(x,y)进行二次频谱置乱, 最后再经过FT2傅里叶逆变换镜组进行一次傅里叶逆变换得到接近于白噪声的图像I(x,y)。图 3 双随机相位编码光学加密系统示意图其变换可用下面公式进行表示: (2)其中, FT为傅里叶变换, FT-1为傅里叶逆变换。x、 y是空间域的坐标, u、 v是频率域的坐标。光路具有光学可逆性, 因此解密是加密的逆过程。将基于4-f系统的双随机相位加密镜组进行倒置, 并使用相同的两个随机相位板作为秘钥即可实现图像的解密。在图像光线逆行经过加密镜组进行解密的时候, 由于是逆行经过傅里叶逆变换透镜组FT1, 因此相当于先对图像进行了一次傅里叶正变换; 当图像光线逆行经过傅里叶变换透镜组FT2的时候, 由于是逆行经过, 因此相当于是进行了一次傅里叶逆变换。其解密数学公式如下: (3)4 仿真结果基于以上光学加解密方法, 本文利用matlab编程, 对一副大小为512512的彩色图像的加解密过程进行了仿真, 仿真结果如Error! Reference source not found.所示, 其中Error! Reference source not found.(a)是原图像, Error! Reference source not found.(b) Error! Reference source not found.(d)分别是利用液晶光阀分离出的RGB各通道图像, Error! Reference source not found.(e)Error! Reference source not found.(g)分别是RGB各通道的傅里叶频谱图像, Error! Reference source not found.(h)Error! Reference source not found. (j) 是RGB各通道加密后的图像, Error! Reference source not found.(k)Error! Reference source not found.(m)分别是RGB各通道解密后图像, Error! Reference source not found.(n)是解密融合后的彩色图像。(a) (b) (c) (d) (e) (f) (g)(h) (i) (j) (k) (l) (m) (n)图 4 光学加解密仿真结果 (a)原图像, (b)红色通道, (c)绿色通道, (d)蓝色通道, (e)红色通道傅频谱图, (f) 绿色通道频谱图(g) 蓝色通道频谱图, (h)红色通道加密后图像, (i)绿色通道加密后图像, (j)蓝色通道加密后图像, (k) 红色通道解密图像, (l) 绿色通道解密图像, (m) 红色通道解密图像, (n)解密融合后的彩色图像由图可见, 经过加密后的各通道图像已经基本接近于白噪声, 在不知随机相位板分布排列的情况下, 恢复原图像基本不可能实现。经过解密仿真, 原彩色图像经过液晶光阀的通道分离以及光学加解密之后图像基本完全复原。5 结论本文充分利用液晶光阀彩色分离技术以及双随机相位加密技术相结合, 利用单个加解密通道既实现了彩色视频图像加解密。在提高加解密效率的同时, 保证了视频传输过程中的安全性。同时由于光学加解密技术只用在现有视频传输链路的最前端以及末端加以改造, 不涉及编码和传输, 增强了系统可用性, 降低了制造成本。本系统在高清监控迅速普及的未来将会产生重要的应用价值, 在军事视频监控加解密领域也将拥有广阔的应用前景。