光學(xué)圖像隱藏裝置及隱藏方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)圖像處理成像領(lǐng)域，具體涉及一種光學(xué)圖像隱藏裝置及隱藏方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著信息安全重要性的日益提升，在許多領(lǐng)域中，圖像安全也變得越來越重要。圖 像安全主要包括圖像加密，圖像隱藏和圖像水印。其中圖像隱藏的過程一般是可以描述為： 把包含機(jī)密信息的物體圖像A嵌入到某一常見的宿主圖像B中進(jìn)行傳輸，接收端得到的表 面看起來非常接近圖像B的但是包含了圖像A的圖像C。采用特殊手段對(duì)圖像C做重構(gòu)之 后可以得到包含機(jī)密信息的圖像A，從而達(dá)到傳輸?shù)陌踩砸蟆?br>[0003] 由于光信號(hào)處理技術(shù)具有內(nèi)在的并行性，因此具有成像速度，傳輸速度快等突出 的優(yōu)點(diǎn)，光學(xué)在各行各業(yè)中都得到了廣泛的應(yīng)用，隨之而來的光學(xué)圖像安全成為了一項(xiàng)重 要的研宄課題。利用相干光的干涉全息圖來實(shí)現(xiàn)圖像隱藏，從而提高光學(xué)圖像傳輸?shù)陌踩?性，該思路的可行性也得到了相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明。
[0004] 相干光的干涉全息圖具有可以記錄和再現(xiàn)物體相位和復(fù)振幅信息的特點(diǎn)，尤其對(duì) 于真實(shí)世界的3D物體、3D場(chǎng)景或平面圖形的成像具有顯著的優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)在通常用來記錄全息 圖的主要器件是數(shù)字全息器件，其制作成本低，成像速度快，記錄和再現(xiàn)靈活。但是在全息 圖的存儲(chǔ)和傳輸中的大數(shù)據(jù)量問題一直是制約光學(xué)圖像安全傳輸?shù)闹饕蛩亍?br>[0005] 隨著科學(xué)技術(shù)及生產(chǎn)工藝的不斷進(jìn)步，出現(xiàn)了采用基于壓縮感知的單像素相機(jī)系 統(tǒng)。單像素相機(jī)系統(tǒng)利用單光子檢測(cè)器來采集離散的全息圖光信號(hào)，大大降低成像器件成 本及數(shù)據(jù)傳輸量。同時(shí)，各種壓縮感知理論及重構(gòu)算法也提高了光信號(hào)全息成像的傳輸及 重建效率，進(jìn)而使得光學(xué)圖像的隱藏成為了一種可行的低成本的應(yīng)用方案。
[0006] 雖然基于壓縮感知理論及重構(gòu)算法能有效解決全息圖像傳輸過程中的大數(shù)據(jù)量 問題，但是，在純光的環(huán)境下的圖像隱藏、傳輸及優(yōu)化重構(gòu)系統(tǒng)卻從未被討論過。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)與不足，提供一種純光域環(huán)境下、數(shù)據(jù) 量小的光學(xué)圖像隱藏裝置及隱藏方法。
[0008] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種光學(xué)圖像隱藏裝置，包括圖像生成及隱 藏單元、圖像采集單元和圖像重構(gòu)模塊，所述圖像生成及隱藏單元生成需要隱藏的物體圖 像與宿主圖像疊加的全息圖，所述圖像采集單元對(duì)所述全息圖進(jìn)行壓縮采樣后將所述全息 圖數(shù)據(jù)傳送至所述圖像重構(gòu)模塊，所述圖像重構(gòu)模塊對(duì)全息圖數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)成像。所述圖 像生成及隱藏單元包括一馬赫增德爾干涉儀、電光相位調(diào)制器和壓電轉(zhuǎn)換器；其中，所述馬 赫增德爾干涉儀將從光源發(fā)出的一束光波分解成兩束光波，一束為照射物體圖像的物光， 另一束為照射宿主圖像的參考光。沿著物光光路，所述電光相位調(diào)制器設(shè)置用來加載物體 圖像；沿著參考光光路，所述壓電轉(zhuǎn)換器設(shè)置在宿主圖像之前，并調(diào)制參考光的相移。
[0009] 進(jìn)一步，所述圖像生成及隱藏單元包括還包括有一第一中性密度濾光片和一第二 中性密度濾光片；沿著物光光路所述第一中性密度濾光片設(shè)置在物體圖像之前，并調(diào)整物 光光強(qiáng)；沿著參考光路所述第二中性密度濾光片設(shè)置在所述壓電轉(zhuǎn)換器之前，并調(diào)整參考 光光強(qiáng)。
[0010] 進(jìn)一步，所述圖像采集單元包括一數(shù)字微鏡器件、一圖像處理模塊、一采集透鏡和 一單光子探測(cè)器；所述數(shù)字微鏡器件采集的全息圖先經(jīng)過圖像處理模塊壓縮采樣，而后被 所述采集透鏡匯集后收集到所述單光子檢測(cè)器并輸出為模擬電信號(hào)。
[0011] 進(jìn)一步，所述圖像重構(gòu)模塊通過兩步迭代算法重構(gòu)出所述數(shù)字微鏡器件上的四幅 干涉全息圖，進(jìn)而重構(gòu)出物體圖像。
[0012] 進(jìn)一步，該光學(xué)圖像隱藏裝置，還包括有模數(shù)轉(zhuǎn)換單元和圖像傳輸單元；所述模數(shù) 轉(zhuǎn)換單元將所述圖像采集單元收集的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，所述圖像傳輸單元將所述數(shù) 字信號(hào)傳輸至所述的圖像重構(gòu)模塊。
[0013] 同時(shí)，本發(fā)明還提供了一種光學(xué)圖像隱藏方法，包括如下步驟：
[0014] Sl :通過圖像生成及隱藏單元對(duì)物體圖像和宿主圖像生成疊加的干涉全息圖；
[0015] S2 :通過DMD數(shù)字微鏡器件對(duì)疊加的干涉全息圖進(jìn)行高速采集，然后計(jì)算DMD數(shù)字 微鏡器件陣列平面上的測(cè)量矩陣與干涉全息圖的隨機(jī)線性測(cè)量值，以得到壓縮全息圖的采 樣，再通過單光子探測(cè)器收集成模擬電信號(hào)；
[0016] S3 :將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸；
[0017] S4:利用兩步迭代算法重構(gòu)出疊加全息圖，進(jìn)而利用逆菲涅爾變換算法以及宿主 圖像的復(fù)振幅信息重構(gòu)出原始的物體圖像。
[0018] 進(jìn)一步，所述步驟Sl還包括以下步驟：
[0019] Sll :通過電光相位調(diào)制器加載物體圖像； JT
[0020] S12 :通過壓電轉(zhuǎn)換器對(duì)參考光分四次調(diào)相，生成參考光的相位分別為0，；. JT， -?-的干涉光源；
[0021] S13 :通過分束鏡使物光和參考光發(fā)生干涉，并用DMD數(shù)字微鏡器件記錄成像，獲 得四幅疊加的干涉全息圖。
[0022] 進(jìn)一步，所述步驟S4還包括以下步驟：
[0023] S41 :利用TwIST算法（兩步迭代算法）重構(gòu)在DMD數(shù)字微鏡器件上的疊加的干涉 全息圖；
[0024] S42 :利用逆菲涅爾變換算法、以及宿主圖像的復(fù)振幅信息及電或者光的方法重構(gòu) 出原始物體圖像。
[0025] 本發(fā)明的一種光學(xué)圖像隱藏裝置及隱藏方法，利用四步相移法記錄干涉全息圖， 在全光域環(huán)境中實(shí)現(xiàn)圖像的隱藏，利用單像素相機(jī)系統(tǒng)離散采樣完成全息圖的壓縮采樣， 再利用壓縮感知理論和全息重構(gòu)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像重構(gòu)。
[0026] 為了能更清晰的理解本發(fā)明，以下將結(jié)合【附圖說明】闡述本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
【附圖說明】
[0027] 圖1是本發(fā)明的光學(xué)圖像隱藏裝置的結(jié)構(gòu)框圖。
[0028] 圖2是本發(fā)明的光學(xué)圖像隱藏裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029] 圖3是圖1所示圖像采集單元的結(jié)構(gòu)框圖。
[0030] 圖4是本發(fā)明的光學(xué)圖像隱藏裝置及隱藏方法的實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 請(qǐng)參閱圖1，其是本發(fā)明的光學(xué)圖像隱藏裝置的結(jié)構(gòu)框圖。該光學(xué)圖像隱藏裝置 100包括圖像生成及隱藏單元110、圖像采集單元120、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元130、圖像傳輸單元140 以及圖像重構(gòu)模塊150。
[0032] 該圖像生成及隱藏單元110生成疊加的全息圖，具體的，該疊加的全息圖是需要 隱藏的物體圖像和作為載體的宿主圖像的光強(qiáng)及相位疊加后的干涉全息圖。該圖像采集單 元120對(duì)所述干涉全息圖進(jìn)行壓縮采樣后收集成模擬電信號(hào)，該模擬電信號(hào)傳送至所述模 數(shù)轉(zhuǎn)換單元130轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，而后經(jīng)過圖像傳輸單元140傳送至圖像重構(gòu)模塊150。該 圖像重構(gòu)模塊150通過光或電的方法利用逆菲涅爾變換來重構(gòu)出所述疊加的干涉全息圖， 進(jìn)而重構(gòu)出原始的物體圖像202。
[0033] 請(qǐng)同時(shí)參閱圖2,其為本發(fā)明的光學(xué)圖像隱藏裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。具體地，該圖像 生成及隱藏單元110為一改進(jìn)的馬赫增德爾干涉儀，其包括一激光器111、一第一平面鏡 1121、一第一分束鏡1131、一分光透鏡114、一第二分束鏡1132、一第二平面鏡1122、一第一 中性密度濾光片1161、一電光相位調(diào)制器117、一第二中性密度濾光片1162、一壓電轉(zhuǎn)換器 118和一第三分束鏡1133。
[0034] 具體地，該激光器111發(fā)出的一束線性偏振激光束經(jīng)過該第一平面鏡1121的準(zhǔn) 直反射后，形成與入射光垂直的反射光，該反射光依次穿過該第一分束鏡1131和該分光透 鏡114,然后經(jīng)過該第二分束鏡1132后分解為兩束相互垂直的光波，其中一束光波形成物 光Φ(?(ξ，η)，另外一束形成參考光，η ; tK)。所述物光，rO經(jīng)過該第二平 面鏡1122的準(zhǔn)直反射，再經(jīng)過該第一中性密度濾光片1161調(diào)整光強(qiáng)，直接照射在物體圖像 202上，經(jīng)過該電光相位調(diào)相器117調(diào)制，后得到精確攜物體圖像202信息的光子級(jí)別的光 束。另一束參考光IU，η ;ΦΚ)經(jīng)過該第二中性密度濾光片1162調(diào)整光強(qiáng)，再經(jīng)過該 壓電轉(zhuǎn)換器118調(diào)相后照射在宿主圖像204上，此時(shí)的參考光η ;ΦΚ)也形成了光 子級(jí)別的光束。所述光子級(jí)別的物光Φ〇(ξ，η)和參考光，η ;ΦΚ)分別同時(shí)經(jīng)過 該第三分束鏡1133后形成了同軸的干涉光并產(chǎn)生疊加了該物體圖像202和該宿主圖像204 的信息的干涉全息圖。
[0035] 進(jìn)一步，假設(shè)物光Φα(ξ，η)照射在物體圖像上的透過率為〇( XQ，yQ)，則經(jīng)過電 光相位調(diào)制器調(diào)制后通過O (?,%)的復(fù)振幅分布可以描述為：
[0036] Φ 〇 ( ξ , n ) = Frt [0 (x0, y0) ] = A ( ξ , η