基于不可见视觉密码的彩色图像隐藏

1、研究背景

在过去的三十年中，信息技术的飞速发展使信息安全成为一个非常重要的研究领域，提出了各种加密方法来确保信息的安全。Naor和Shamir在1994年提出视觉密码(visual cryptography，VC)方案，有别于传统密码学大量繁复的解密运算，其特点在于重建图像简单性以及门限特性保证安全性。Ateniese等于2001年初次提出增强型视觉密码（extended visual cryptography，EVC），将传统视觉密码生成的纯振幅且类随机的二值图像的密文改进成有实际意义的分享图像，增强伪装性，不易被识别，提高了安全性。

基于光学理论的技术方法可以通过计算光的干涉、衍射、全息等过程实现图像加密或隐藏，具有多维、大容量、高设计自由度、高稳健性等优势。在之前的工作中，我们提出了不可见视觉密码（Invisible Visual Cryptography，IVC）方案，并开发了相应的光学隐藏系统，将纯振幅分享图像替换为普通强度探测器不可见的纯相位密钥，扩大了视觉密码的应用范围，提高了安全性。

然而，在这些方法中，图像被单色光照射，重建后的图像会失去颜色信息。在许多情况下，我们需要颜色信息。本文提出了一种基于增强型不可见视觉密码（Color Invisible Visual Cryptography，CIVC）的光学彩色信息隐藏系统，通过波长复用和菲涅尔变换实现对彩色信息的多通道隐藏，并且经过光学实验实现了对彩色图像的恢复。

2、隐藏原理

该系统的隐藏过程如图1所示。首先，我们选择了一张彩色秘密图像和两张彩色封面图像。根据RGB模型，导出了秘密图像的R、G、B通道的灰度图像。利用EVC对彩色秘密图像的三个通道的灰度图像进行编码。此过程为每个通道生成两个共享图像，从而产生总共六个共享图像，然后将其隐藏在相位键中。我们给六个参与者每人一个阶段密钥和相应的解密密钥。只有6位参与者都成功解密共享图像后，才能通过非相干叠加得到正确的彩色秘密图像。

图1 基于彩色不可见视觉密码的光学图像隐藏过程

增强型视觉密码是将灰度秘密图像和共享图像转换为二值半色调图像。原始图像中每个像素的灰度值决定了扩展子像素(半色调图像)中黑白像素的数目。这些子像素的排列方式不影响半色调带来的视觉效果，但在共享图像叠加时，不同的排列方式会产生不同的效果。如图2所示，如果两张共享图像中同一位置的灰度值分别为4/9和5/9，则变换成半色调图像叠加后得到的灰度值根据排列方式的不同而不同。EVC利用了这一特性，允许叠加的共享图像达到期望的灰度效果。与传统VC不同，共享图像不是无意义的随机噪声，而是有意义的图像，显著增加了信息容量，降低了怀疑的可能性。

图2 两个扩展后的子像素不同排序叠加示例, 灰度值为4/9 和 5/9 的两个像素扩展后按图中方式排序叠加后灰度可以是 4/9, 2/9 和 0/9

将获得的分享图像作为输出平面的振幅信息，利用相位恢复算法，计算得到输入平面的相位信息。这里以菲涅耳变换的GS算法为例，具体流程如图3所示：

（1）将分享图像G(u,v)作为输出面光强，赋予随机相位信息，得到输出面复振幅F₁(u,v)：

（2）对输出面复振幅做特定波长和衍射距离的菲涅尔逆变换，得到输入面复振幅F_k(u,v)：

（3）只保留输入面复振幅的相位信息：

（4）对输入面复振幅做菲涅尔变换，得到输出面复振幅：

（5）用分享图像作为光强替换输出平面振幅，得到新的输出面分振幅F_k+1(u,v)：

（6）重复(2)~(5)步骤不断迭代，最后将
作为结果输出，这样秘密信息就被隐藏在相位密钥中。

将六张分享图像按照上述过程，选择对应通道颜色波长的激光和合适的衍射距离进行迭代，获得6张相位密钥。

图3 图像隐藏过程中相位密钥生成算法例：GS算法流

程示意图

3、提取过程

提取过程如图4所示，使用红绿蓝三种波长的激光分别照射对应的相位密钥，光波继续传播一段距离后再现出有意义的分享图像。衍射出的分享图像由CCD相机在输出平面上逐个记录，然后将六幅单色图像在计算机中通过RGB模型合成为两幅彩色分享图像，进行非相干叠加后即可恢复彩色秘密图像S(u,v)，但恢复图像对比度偏低，影响视觉观察效果。我们将两张彩色分享图像由RGB颜色空间转换到HSV颜色空间，修改其每个像素的饱和度S值来突出分享图像的画面，再进行非相干叠加出秘密图像，从而提高恢复图像的视觉质量。

图4 信息提取过程

图5 实验提取过程的光学装置

实验设置如图5所示的光路，实验结果如图6所示，选择简单的红绿蓝三色字母“H”图案作为彩色秘密信息，红绿蓝三色字母“A”，“B”作为分享图像的掩饰图案，通过增强型视觉密码方案编码后的分享图像如图6(a)，(b)，分辨率是64×64，叠加后可以分辨出彩色秘密信息。为了再现时有较好的效果，我们将分享图像扩展至1024×1024，通过相位恢复算法计算得到相位密钥如图6(d)~(i)，分辨率为1024×1024，计算时假设再现光束是平面波。将六幅相位密钥加载到空间光调制器上，我们接收到的图像如图6(j)~(o)，由于原图较暗，这里调整亮度方便观看，后续处理依旧使用的采集到的原图。使用电脑将六幅采集到的图片二值化，根据RGB模型合成为两张彩色分享图像，如图6(p)，(q)，非相干叠加后得到图6(r)。可以看出虽然光束只是经过扩束系统扩束，没有特殊调整，再现光依旧是高斯分布，但是图中仍可以分辨出秘密信息，可见系统对于再现光是否是平面波有一定容忍程度。至此初步验证了该方案可应用于实际。

图6 光学实验结果。(a)、(b)为彩色共享图像，其叠加和彩色重建得到解密图像(c);(d)~(i)为相位键;(j)~(o)为解密后接收到的衍射图像;(p)、(q)是将接收到的图像组合后形成的彩色共享图像;r是p和q的叠加结果

值得注意的是，该方案具有很高的适用性。相位键可以使用各种光学介质，如衍射光学元件(DOEs)、超表面、空间光调制器(SLM)和透明材料来实现。这些材料可以改变光的相位而不影响其振幅。在提取机密信息时，不一定需要严格的实验条件。照明可以通过使用手持式激光器照射用相位键编码的衍射光学元件来实现。在正确的衍射距离处接收到恢复的共享图像。将相应的恢复的共享图像投影到相同的白色屏幕上，可以解密秘密信息。在实际应用中，使用SLM进行解密不需要产生很大的成本。SLM可以直接加载不同的相位键来调制不同的图像，从而控制了该方法的成本。

4、结论

我们提出了一种基于CIVC的光学图像隐藏系统，利用颜色分解将彩色秘密图像分割成RGB通道。每个通道可以使用EVC方案编码成多个有意义的共享图像，然后使用相位检索算法将其隐藏在相位密钥中。我们通过仿真和光学实验验证了方案的可行性，并对系统进行了详细的分析。EVC是对传统VC的改进，它使共享图像从伪随机的二值图像变得有意义，提高了系统的安全性。IVC将共享图像转换为对强度检测器不可见的相位键，并将其与彩色EVC相结合。该系统采用多波长菲涅耳衍射技术，在密钥中增加了衍射距离作为参数，通过结构参数的多样性提高了安全性。该系统具有隐藏有意义的彩色图像的能力，有效地增加了信息存储容量。彩色图像被广泛应用于许多应用领域，因此我们的方法可以应用于各个领域。彩色光谱图像广泛应用于科学研究、医学成像和地球科学等领域。特别是在地球科学和遥感技术的应用中，确保彩色光谱图像的保密性和数据安全性至关重要。科研团队经常面临保护敏感地质和环境信息的要求。通过将彩色光谱信息作为秘密图像并使用我们提出的方法将其隐藏到相位密钥中，将这些相位密钥分发给参与者，可以实现秘密图像的安全传输。