全息加密技術(shù)作為一種特殊的加密方法被廣泛應(yīng)用于信息加密和防偽等領(lǐng)域。在全息加密過程中，光波的波長、記錄距離和入射角度等參數(shù)用做加密密鑰和解密密鑰被人們深入研究，但所加密的信息幾乎都是二維信息。為此利用一種基于虛擬光學(xué)的對三維信息進行加密的方法，將三維物體的大小作為一個新的密鑰被引入安全全息加密算法，其安全性能得到了極大提高。

一、全息加密原理

Fresnel離軸全息最早是Schnars和Juptner提出來的，它的記錄和再現(xiàn)過程如圖1所示。全息圖的記錄過程就相當(dāng)于全息加密的過程；全息再現(xiàn)過程就對應(yīng)于解密過程。

在全息加密過程中，用黃氏編碼法生成Fresnel計算全息圖；在解密，即計算全息再現(xiàn)過程中，使用空間濾波的方法消除零級像和孿生的一級衍射像，這樣處理還可以增加圖像的分辨率和亮度。

用計算機模擬計算全息圖的再現(xiàn)像過程，根據(jù)全息原理可知，在觀察距離等于記錄距離（解密密鑰等于加密密鑰）的觀察屏上可以看到二維切片清晰的再現(xiàn)像。理論上通過一系列的二維切片的再現(xiàn)，就可以得到我們加密的三維物體的再現(xiàn)像。

二、圖像質(zhì)量的客觀評價方法

PSNR法在圖像的壓縮技術(shù)中用來評價解壓后圖像的質(zhì)量，這里我們用它來評價再現(xiàn)像的質(zhì)量。其表達(dá)式為：

其中，MSE為：

式中f(x，y）表示理想的圖像；g(x，y）表示在觀察屏上得到的實際圖像。用PSNR法評價圖像時，其PSNR值越大，說明觀察屏上的圖像越好。

前面已經(jīng)提到，為了綜合三維物體的計算全息圖（即全息加密），我們將空間物體分割成了一系列等間隔的二維切片。為了評價解密的三維物體質(zhì)量，要對公式(1)進行適當(dāng)修改：

其中，i是二維切片的序數(shù)；PSNRtotal是三維圖像的最終PSNR值。值得注意的是，每一個二維切片解密時都對應(yīng)一個不同的解密密鑰（記錄距離），所以PSNRi就是對應(yīng)不同記錄距離的二維切片的PSNR值。

三、計算機模擬及討論

在虛擬光學(xué)的計算機模擬過程中，我們將一個空間立方體作為全息加密的原始物體，并將它分割成等間隔的8個二維切片。相對于單幅二維圖像的加密解密而言，三維物體的記錄距離（第一個切片到全息面的距離）和立方體的大?。ǖ谝粋€切片到第八個切片間的距離）這兩個參數(shù)都可以被用做加密和解密密鑰，后者更具安全性。8個不同記錄距離的切片綜合成一張計算全息圖。再現(xiàn)時，在觀察屏上可以看到空間立方體的像，該像所包含的8個不同切片有其各自的再現(xiàn)距離。

1、單個二維切片的加密和解密

首先，空間立方體的某一個二維切片可以看作是被全息加密的圖像，以記錄距離、參考光波波長和參考光波與全息圖的夾角作為加密密鑰，通過計算機模擬計算，生成計算全息圖（加密過程）。圖2(a)中，二維切片的大小為8cm X8cm (256><256像素)，記錄距離為0.4m，參考光波與全息圖的夾角a) G9G=1。：圖2(b)—(f)是保持加密密鑰中的參考光波波長和參考光波與全息圖夾角不變，改變密鑰中的再現(xiàn)距離所觀察到的再現(xiàn)像。再現(xiàn)距離d從0.35m變化到0.46m。

在這里我們用PSNR來客觀評價解密圖像的質(zhì)量。不同的解密密鑰對應(yīng)不同的再現(xiàn)像，不同的再現(xiàn)像質(zhì)量有不同的PSNR值。圖3是解密密鑰與圖像質(zhì)量( PSNR)關(guān)系圖。圖中波峰A點的解密密鑰（再現(xiàn)距離）等于加密密鑰（記錄距離），所以再現(xiàn)圖像質(zhì)量最好，相應(yīng)的PSNR值最大；當(dāng)解密密鑰在加密密鑰的一定范圍內(nèi)變化（如在B點和C點間變動），圖像質(zhì)量將會下降，但仍可被觀察者所接受。

2、整個三維物體的加密與解密

對于空間立方體的加密過程，需要用到所有的8個二維切片。第一步，計算單個切片在全息平面上的光場分布；第二步，將上一步中所得的8個光波場進行迭加，求其總的光場分布；第三步，用黃氏編碼法對總光波場進行編碼，進而生成計算全息圖。三維物體的解密圖像，我們可以用一個接收屏或者CCD去接收。接收屏或CCD上將同時接收到8個二維切片的解密圖像，但它們解密密鑰各不相同，其中再現(xiàn)距離以等步長間隔依次增加。圖4就是在接收屏或CCD上觀察到的三維物體的再現(xiàn)像。

圖4(a)是8個二維切片在平面投影圖；圖4(b)一(f)接收屏或CCD到全息平面的距離改變對再現(xiàn)三維物體的影響。

在接收屏或者CCD上能夠同時觀察到每一個切片的解密圖像，但是它們相應(yīng)的解密密鑰卻并不相同，如前所述，解密密鑰為等差數(shù)列，公差就是切片間隔。用公式(3)表示的修正PSNR法對三維物體進行評價時，要將8個等間隔的切片作為一個整體看待，保持間隔不變整體進行前后移動，從而得到三維像的評價結(jié)果，如圖5所示。A點能夠觀察到清晰的三維物體再現(xiàn)像，在BC點區(qū)間內(nèi)得到的再現(xiàn)像也能夠被人眼分辨。通過幾何光學(xué)計算，我們發(fā)現(xiàn)BC點間的距離大致與系統(tǒng)景深相等。至此模擬實驗的結(jié)果與傳統(tǒng)光全息觀察結(jié)果相一致，所以可以得出結(jié)論：修正PSNR法是一種有效的評價三維物體再現(xiàn)像的客觀方法。

該方法較衍射效率，點擴散函數(shù)和分辨率等再現(xiàn)圖像評價方法更直接更有效。修正PSNR法可以用來建立三維圖像評價標(biāo)準(zhǔn)，這對于三維研究有極重要的作用。

admin

收藏 海報分享