基于非对称加密的隐形涡旋结构光三维成像方法
阅读说明：本技术 基于非对称加密的隐形涡旋结构光三维成像方法 (Invisible vortex structured light three-dimensional imaging method based on asymmetric encryption ) 是由 闫爱民 张静 吴春英 于 2021-06-21 设计创作，主要内容包括：本发明基于非对称加密的隐形涡旋结构光三维成像方法,涉及涡旋光束、结构光成像和光学图像加密技术领域。本方法包括：A步骤获取四幅待加密图像；B步骤ELGamal加密；C步骤ELGamal解密；D步骤重构被测物体图像。本发明把密码学和光学成像技术有机结合,从信息论角度研究并建立三维目标高分辨成像和实时在线加密传输的采用正交偏振隐形涡旋结构光三维成像的理论模型和相移干涉加密理论,研究三维图像信息的获取和加密安全性模型。具有结构简单,易于实现自动化、大量程,非接触,速度快,精度高,安全性好等优点,特别在三维物体的信息传输方面提供了新的技术手段。将在身份认证、高分辨成像和保密通信等领域具有广阔的应用前景。(The invention discloses an invisible vortex structured light three-dimensional imaging method based on asymmetric encryption, and relates to the technical field of vortex light beams, structured light imaging and optical image encryption. The method comprises the following steps: a, acquiring four images to be encrypted; b, ELGamal encryption; step C, ELGamal decryption; and D, reconstructing an image of the measured object. The invention organically combines cryptography and optical imaging technology, researches and establishes a theoretical model of three-dimensional target high-resolution imaging and real-time online encryption transmission and adopting orthogonal polarization invisible vortex structured light three-dimensional imaging and a phase shift interference encryption theory from the information theory angle, and researches an acquisition and encryption security model of three-dimensional image information. The device has the advantages of simple structure, easy realization of automation, wide range, non-contact, high speed, high precision, good safety and the like, and particularly provides a new technical means in the aspect of information transmission of three-dimensional objects. The method has wide application prospect in the fields of identity authentication, high-resolution imaging, secret communication and the like.)
技术领域
本发明涉及涡旋光束、结构光成像和光学图像加密技术领域，具体指一种基于非对称加密的隐形涡旋结构光三维成像方法。
背景技术
随着互联网和各种信息传递技术的广泛应用，信息在通信和存储中的安全性已成为当今的研究热点。图像加密是信息安全领域的一个重要研究方向，主要包括基于“数学理论”的传统图像加密技术和基于“非数学理论”的新型图像加密技术两大类。其中，利用物理参量对图像进行加密是新型图像加密技术，在一些领域中表现出优越性，尤其是光学图像加密技术，在近年来受到越来越多的关注。与传统电子信号处理方法相比，光学信息安全技术恰恰在处理速度、加密维度、实现成本、安全性以及固有的并行处理特性等方面有着得天独厚的优势。基于光学理论的信息安全技术具有上述诸多优点，近年来研究人员对其进行大量的研究，提出了多种光学图像加密的算法和结构。但是，多数的光学图像加密方法是以二维目标为加密对象，不能测量目标的深度信息，尤其对远距离三维目标无法高分辨成像，这使得光学图像加密技术难以在真实的三维场景中泛应用。激光三维成像技术的出现，给人们提供了新的技术手段。
另一方面，很多光学图像加密方法属于对称加密范畴，从本质上讲是线性系统，加密系统所存在的线性问题可为系统留下严重的安全隐患。针对线性系统所存在的系统安全漏洞，研究者们进一步提出了非线性或者非对称加密方案来增强系统的安全性。彭翔提出了基于相位恢复算法的已知明文攻击和唯密文攻击，指出了DRPE加密系统的线性本质导致了安全漏洞。并且提出了一种基于相位截断的光学图像加密架构，从而能够生成与加密密钥完全不同的解密相位板。孟祥锋提出了两步相移干涉和公钥加密算法结合的非对称加密方案，常用的公钥算法有Rivest-Shamir-Adleman(RSA)算法和椭圆曲线加密(EllipticCurve cryptography，ECC)算法等。ELGamal加密算法，是一种基于有限域上离散对数问题的公钥密码体制且采用的是非对称数字加密方法，是一种国际公认的较理想公钥密码体制。当前的公钥加密主要是基于单向陷门函数，即正向计算容易，逆运算极其困难的一类函数。1976年，Whirefield Diffie和Matin Hellman提出了公钥密码的思想。1985年，ELGamal提出了ELGamal公钥密码体制，其安全性取决于离散对数求解的困难程度。近年来，ELGamal加密算法在网络安全数字加密技术中应用广泛，但在光学图像加密领域中应用很少。
发明内容
本发明的目的是针对现有物体三维信息传递技术中存在的缺陷和不足，提出一种基于非对称加密的隐形涡旋结构光三维成像方法，首先产生两束具有正交偏振态且拓扑荷数分别为+l和-l的隐形涡旋结构光，照射到待测物体表面后发生反射，反射光被接收望远镜接收后经过四步相移调制器的调制后，获得四幅待加密图像，再经过Elgamal加密处理器得到加密密文；其解密过程采用ELGamal解密处理器进行解密后，得到四幅解密图像，最后经结构光三维成像算法即可再现出被测物体的图像。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
本发明基于非对称加密的隐形涡旋结构光三维成像方法，其特点在于，包括激光器，半波片，偏振分束器，第一扩束器，第二扩束器，第一反射镜，第二反射镜，第一空间光调制器，第二空间光调制器，偏振合束器，发射望远镜，被测物体，接收望远镜，1/4波片，四步相移调制器，及计算机以光路方式连接。
进一步，本发明基于非对称加密的隐形涡旋结构光三维成像方法，包括①获取四幅待加密图像，②ELGamal加密，③ELGamal解密和④重构被测物体图像四个环节，具体包括下列详细步骤：
①获取四幅待加密图像：
激光器出射的光束经半波片后，被偏振分束器分为具有正交偏振态的两束光，即水平偏振光和垂直偏振光；
水平偏振光经第一扩束器扩束和第一反射镜后再经过一个加载全息光栅的第一空间光调制器产生拓扑荷数为+l的涡旋光照射到偏振合束器上；
垂直偏振光经第二扩束器扩束和第二反射镜后再经过另-加载全息光栅的第二空间光调制器产生拓扑荷数为-l的涡旋光照射到偏振合束器上与水平偏振光合束在一起，形成偏振方向正交的隐形涡旋结构光，经由发射望远镜后照射到被测物体；
所述的拓扑荷数+l和-l中的取值为整数或分数；
由被测物体反射的光通过接收望远镜，1/4波片和四步相移调制器后即可获取四幅待加密图像I0、Iπ、
所述的隐形涡旋结构光，由于两束光之间互为正交偏振态，在目标平面上看不到干涉的结构光图案，在接收端经过偏振旋转后才能探测到，故称之为“隐形涡旋结构光”，而且控制两偏振正交光束的大小、位置、相位差和方向等可获得不同形状的隐形涡旋结构光图案。
②ELGamal加密：
将四幅待加密图像I0、Iπ、分别作为ELGamal加密算法的明文m；
ELGamal加密算法由密钥生成、加密和解密三部分组成，是一种基于离散对数问题建立的算法。
首先，接收者和发送者共享公开参数的信息(p，α，β)，
其中，p为随机选择的一个素数；
α为有限域ZP上的一个生成元；
b为私钥可以是指纹、人脸图像、虹膜生物特征图像，经过处理得到整数矩阵；
β为公钥，可由β＝αbmod(p)表示。
然后，对于明文m，可以任意的选取随机数k∈[1，p-2]来计算γ＝αkmod(p)和δ＝mβkmod(p)，由此即可得到密文为c＝(γ，δ)；
③ELGamal解密：
接收者收到密文c＝(γ，δ)后，使用私有密钥为b，通过计算机计算m＝δ/γbmod(p)，即可得到四幅解密图像。
④重构被测物体图像：
计算机中得到的解密图像可表示为I＝R(A+Bcosφ)，
其中，R表示物体表面不均匀反射率；
A表示背景强度；
B/A表示光栅图案的对比度；
由于光栅每次移动周期的1/4，即相移量为π/2。
相位可表示为：
再对相位进行展开后，根据三角原理可得
h＝(LTΔφ)/(2πd+TΔφ)，
即可得到物体的高度值，其中，L表示照相机与参考平面的距离；T表示投影光栅的周期；d为相机中心与投影系统中心的距离；Δφ表示所测物体的相位值与参考平面相位值之差。
综上所述，本发明首先将四幅待加密图像经过E1gamal加密处理器得到加密密文；其解密过程采用ELGamal解密处理器进行解密得到四幅解密图像，最后经结构光三维成像算法再现出被测物体图像。在结构光三维成像算法中引入ELGamal加密算法为三维物体信息的传输提供了一种更加安全的解决方案。将在身份认证、高分辨成像和保密通信等领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明一种基于非对称加密的隐形涡旋结构光三维成像方法框图；
图标说明：激光器1，半波片2，偏振分束器3，第一扩束器4-1，第二扩束器4-2，第一反射镜5-1，第二反射镜5-2，第一空间光调制器6-1，第二空间光调制器6-2，偏振合束器7，发射望远镜8，被测物体9，接收望远镜10，1/4波片11，四步相移调制器12，计算机13。
图2为本发明实施例重构被测物体图像的流程框图；
图3为本发明实施例中的被测物体图像；
图4(a)-(d)为本发明实施例中的四个待加密的图像；
图5(a)-(d)为本发明实施例中的四个密文的图像；
图6(a)-(d)为本发明实施例中的四个解密后的图像；
图7为本发明实施例中的经过三维重构后的被测物体图像。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
本发明基于非对称加密的隐形涡旋结构光三维成像方法(如附图1所示)，其特点在于，包括激光器1，半波片2，偏振分束器3，第一扩束器4-1，第二扩束器4-2，第一反射镜5-1，第二反射镜5-2，第一空间光调制器6-1，第二空间光调制器6-2，偏振合束器7，发射望远镜8，被测物体9，接收望远镜10，1/4波片11，四步相移调制器12，计算机13以光路方式连接。
本发明基于非对称加密的隐形涡旋结构光三维成像方法包括如下步骤(如附图2所示)：
A步骤获取四幅待加密图像；
B步骤ELGamal加密；
C步骤ELGamal解密；
D步骤重构被测物体图像。
具体包括下列详细步骤：
所述A步骤获取四幅待加密图像，还包括步骤：
A1步骤：激光器1出射的光束经半波片2后，被偏振分束器3，分为具有正交偏振态的两束光，即水平偏振光和垂直偏振光；
A2步骤：水平偏振光经第一扩束器4-1扩束和第一反射镜5-1后再经过一个加载全息光栅的第一空间光调制器6-1产生拓扑荷数为+l的涡旋光照射到偏振合束器7上；
A3步骤：垂直偏振光经第二扩束器4-2扩束和第二反射镜5-2后再经过另一加载全息光栅的第二空间光调制器6-2产生拓扑荷数为-l的涡旋光照射到偏振合束器7上与水平偏振光合束在一起，形成偏振方向正交的隐形涡旋结构光；
所述的拓扑荷数+l和-l中的取值为整数或分数；
A4步骤：经由发射望远镜8后照射到被测物体9；
A5步骤：由被测物体9反射的光通过接收望远镜10，1/4波片11和四步相移调制器12后即获取四幅待加密图像I0、Iπ、
所述B步骤ELGamal加密，还包括步骤：
B1步骤：接收者和发送者共享公开参数的信息(p，α，β)，
其中，p为随机选择的一个素数；α为有限域ZP上的一个生成元；b为私钥可以是指纹、人脸图像、虹膜生物特征图像，经过处理得到整数矩阵；β为公钥，由β＝αbmod(p)表示；
B2步骤：对于明文m，为任意的选取随机数k∈[1，p-2]计算γ＝αkmod(p)和δ＝mβkmod(p)，由此即得到密文为c＝(γ，δ)。
所述C步骤ELGamal解密，还包括步骤：
接收者收到密文c＝(γ，δ)后，使用私有密钥为b，通过计算机13计算m＝δ/γbmod(p)，即得到四幅解密图像。
所述D步骤重构被测物体图像，还包括步骤：
D1步骤：计算机13中得到的解密图像表示为I＝R(A+Bcosφ)，
其中，R表示物体表面不均匀反射率；
A表示背景强度；
B/A表示光栅图案的对比度；
由于光栅每次移动周期的1/4，即相移量为π/2；
相位可表示为
D2步骤：再对相位进行展开后，根据三角原理可得h＝(LTΔφ)/(2πd+TΔφ)，即得到物体的高度值；
其中，L表示照相机与参考平面的距离；T表示投影光栅的周期；d为相机中心与投影系统中心的距离；Δφ表示所测物体的相位值与参考平面相位值之差。
本发明的一个实施例：
首先以水平偏振光经过第一空间光调制器产生拓扑荷为+l(l＝0)的涡旋光，即高斯光束和垂直偏振光经过第二空间光调制器产生拓扑荷为-l(l＝0)的涡旋光，即高斯光束为例，生成的四幅图像依次照向被测物体(如附图3所示)。
结构光受到被测物体调制后产生四幅待加密图像(如附图4(a)-(d)所示)。
四幅待加密的图像经过ELGamal加密后的图像(如附图5(a)-(d)所示)，再经过解密算法解密后得到四幅解密后的图像，(如附图6(a)-(d)所示)。
最后，再利用结构光三维成像算法即可恢复被测物体图像(如附图7所示)。
据此，本发明可概括为：
(1)用隐形涡旋结构光三维成像的方法进行物体的三维重构，通过引入隐形涡旋结构光不仅可以有效克服环境杂散光对实验的影响，还可以提高成像质量。同时采用了相移法为隐形涡旋结构光三维成像方法与Elgamal加密方法的结合提供了桥梁，而且，相移法相比于其他方法该方法是目前获取物体的空间三维信息公认的最有效，最可靠的方法。
(2)ELGamal加密方法是一种典型的非对称加密算法，对四步相移产生的四幅图像进行加密解密，能大大提高物体加密的安全性。而且，ELGamal算法有坚实的数学基础作为理论支撑，使得安全性得以保证。
综上所述，本发明是基于隐形涡旋结构光和ELGamal加密算法相结合的结构光三维成像方法，把密码学和光学成像技术有机结合，从信息论角度研究并建立三维目标高分辨成像和实时在线加密传输的采用正交偏振隐形涡旋结构光三维成像的理论模型和相移干涉加密理论，研究三维图像信息的获取和加密安全性模型。本方法具有结构简单，可有效克服环境杂散光，易于实现自动化、大量程，非接触，速度快，精度高，安全性好等优点，为解决互联网信息安全，特别三维物体的信息传输方面提供了新的技术手段。将在身份认证、高分辨成像和保密通信等领域具有广阔的应用前景。
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