基于超混沌及压缩感知的计算鬼成像加密方案研究

摘要

计算鬼成像技术作为一种新兴的光学技术，具备良好的空间分辨能力和抵抗环境干扰的能力，一经出现便引起了研究人员的关注，并广泛用于军事，加密，雷达等领域。随着信息安全技术的发展，计算鬼成像的信息安全问题也引起了人们的重视，如何保证图片信息传输过程中不被窃取及篡改，实现安全的加密通道是计算鬼成像的重要研究课题。因此，研究计算鬼成像技术的安全问题具有重要的现实意义。　　本文首先概述了课题研究的背景及意义，主要介绍了鬼成像的发展历程以及基于计算鬼成像技术的加密方案国内外研究现状，同时介绍了混沌系统的发展历程以及混沌加密的研究现状。然后，详细论述了鬼成像基本理论、基于计算鬼成像技术加密的流程、压缩感知理论和混沌理论。最后提出了两种基于计算鬼成像技术的加密方案，具体内容如下。　　(1)本文提出了一种基于超混沌系统和DNA编码的计算鬼成像加密方案。在该方案中，首先利用一个四维的超混沌系统生成四个长的伪随机序列，然后通过DNA操作扩散这些伪随机序列获得相位掩膜序列。最后，由相位掩膜序列生成多个随机相位掩膜矩阵，并加载到空间光调制器(Spatial light modulator, SLM)。激光束通过空间光调制器进行相位调制产生非相干光。经过菲涅耳衍射后，调制光束传输至物平面，透过物体(或反射回来)的光场强度由物平面后方的桶探测器接收，桶探测器探测结果即为密文。仿真结果和安全性分析证明该方案具有良好的性能。　　(2)本文提出了一种基于KSVD算法的压缩感知鬼成像加密方案。该方案中，首先，用四维超混沌系统生成伪随机序列，通过DNA编码技术对序列进行变换生成相位掩模矩阵从而实现对激光束的相位调制。其次，利用KSVD算法对原始图像进行稀疏表示，将稀疏图像作为待加密图像放置在物平面。然后，调制后的光束照射物平面并由物平面后方的桶探测器接收，图像被加密成一系列的桶探测器探测结果。最后，利用压缩感知重构技术从密文中恢复出原始图像。通过仿真验证和安全性分析表明，所提出的加密方案可有效抵御已知的攻击方法，并在保证解密图像质量的前提下，大大缩减采样次数，提高了图像传输效率。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2.1鬼成像研究现状

1.2.2混沌加密研究现状

1.3 本论文主要工作

1.4 论文结构

第2章相关技术介绍

2.1.1赝热光鬼成像

2.1.2 计算鬼成像

2.2 基于计算鬼成像的图像加密基本原理

2.3 压缩感知的基本原理

2.3.1 信号的稀疏表示

2.3.2 测量矩阵的选取

2.3.3 信号重构

2.4.1 混沌的定义

2.4.2 混沌的基本特征

2.4.3 典型的混沌系统

2.5 DNA 理论

2.5.1 DNA 编码

2.5.2 DNA 运算

2.6 本章小结

第 3 章 基于混沌及 DNA 编码计算鬼成像的图像加密方案

3.1 引言

3.2 基本原理

3.2.1 超混沌系统

3.3 计算鬼成像加密系统

3.3.1 生成随机相位掩码矩阵

3.3.2 计算鬼成像加密

3.3.3 解密过程

3.4 仿真结果和安全性分析

3.4.1 密钥空间分析

3.4.2 密钥敏感性分析

3.4.3 相关性分析

3.4.4 NIST 统计测试

3.4.5 噪声攻击分析

3.4.6 现有加密方案的性能比较

3.5 本章小结

第 4 章 基于 KSVD 算法的压缩感知鬼成像加密系统

4.1 引言

4.2 理论分析

4.2.1 压缩感知鬼成像原理

4.2.2 K 均值奇异值分解（KSVD）学习字典算法

4.3 基于 KSVD 算法的计算鬼成像的光学加密方案

4.4 数值仿真

4.5 本章小结

结论

参考文献

附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

致谢