针对现有彩色图像光学加密方法存在解密结果失真的问题,提出一种结合混沌运算与菲涅耳衍射全息的彩色图像单通道加密新方法。首次加密操作利用菲涅耳衍射将彩色图像RGB通道分量转换成一幅实值计算全息图;第二次加密操作是利用改造的Logistic混沌系统对计算全息图像素进行置换与扩散。结果表明,本文方法除传统混沌系统密钥以外,菲涅耳衍射距离、参考光波长和入射角方向余弦作为关键密钥均可以增大密钥空间(约为10 ²⁴⁹),而且具有较小的密钥体积;解密图像的保真度高且相邻像素相关性、信息熵、像素数改变率和归一化改变强度等评价指标均接近理想值;密文图像的直方图平坦,灰度分布均匀,完全隐藏了原始彩色图像的灰度和色彩信息。

提出一种基于Fourier变换对称性和随机多分辨率奇异值分解(R-MRSVD)的彩色图像加密算法。首先计算归一化明文图像的平均值作为logistic-exponent-sine映射的初值,并生成随机矩阵和位置索引;然后对每个颜色通道分别进行二维离散Fourier变换,根据共轭对称性仅保留一半的频谱系数,并提取实部分量和虚部分量构建实数矩阵;最后对实数矩阵进行R-MRSVD和Josephus置乱操作,得到密文图像。将明文图像的像素特征作为混沌序列的初值,保证算法具有高敏感性和高安全性,同时实值的密文便于存储和传输。对算法的解密图像质量、统计特性、密钥敏感性、抗选择明文攻击、鲁棒性等性能进行测试,仿真结果表明,所提加密算法具有可行性和安全性。

为了解决传统密码系统由于对称特性导致的安全性低的问题, 提出了一种新的基于柱面衍射和彩色空间转换的单通道彩色图像加密方法。在加密过程中, 首先将彩色图像变换为YCbCr4:2:0格式的单通道图像, 然后经过两次柱面衍射和相位截断操作对图像进行加密。在解密过程中, 将密钥与密文结合, 经过两次柱面逆衍射后重建出彩色原图。由于柱面衍射过程是一个非对称的过程, 此算法可以克服基于平面衍射的加密系统的对称特性, 将其应用到基于相位截断的加密系统中可以进一步有效提高加密系统的安全性。仿真结果表明, 该算法能够有效地对彩色图像进行单通道加密, 不仅可以高质量地恢复原始彩色图像, 而且加密系统具有较高的安全性。

为了避免使用复数来密文记录和传输彩色图像, 提出一种基于附加密钥复用的彩色图像加密方法。先把彩色图像分成三基色分量: 红、绿、兰; 选取3个独立的附加密钥分别对这3个分量使用改进的光学联合相关变换法加密, 得到3个联合功率谱。把这3个联合功率谱进行叠加, 得到的复合联合功率谱即加密结果, 其包含了原始彩色图像的全部信息。解密时, 使用加密时所用的3个附加密钥分别对此复合联合功率谱进行解密, 即可正确地重建原始图像的红、绿、蓝分量, 进而恢复出原始图像。计算机仿真结果表明, 本方法可以将一幅原始彩色图像隐藏于单幅强度图像之中。由于记录强度图像无需参考光波, 因此本方法在加密过程中成功地避免了干涉装置, 降低了对加密环境的要求。此外, 相比于其他彩色图像隐藏方法需要加密至复数密文之中, 本方法的密文大小仅为其二分之一, 加密效率提高了一倍。

为了实现单通道双彩色图像的同时加密, 首先将两幅待加密的彩色图像转换成索引图像的形式, 保留索引图像的颜色映射矩阵, 然后仅对数据矩阵采用复数合成、分数傅里叶变换、随机调制实现了双图像的加密。结果表明, 只有在使用完全正确密钥的情况下才能恢复出两幅无失真的图像。该算法具有很高的安全性。