由于光學(xué)信息處理系統(tǒng)具有與生俱來(lái)的并行處理能力、更多的可選自由度和高級(jí)別的數(shù)據(jù)安全性等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)光學(xué)信息安全技術(shù)的研究越來(lái)越熱門(mén)。光學(xué)安全技術(shù)的應(yīng)用主要集中在圖像加密技術(shù)方面。隨著研究的深入，越來(lái)越多的科研工作者開(kāi)始著手這方面的工作，并相繼提出了一系列新技術(shù)。其中，相移數(shù)字全息加密技術(shù)可以讓光學(xué)加密技術(shù)更好的與數(shù)字信號(hào)處理和通訊系統(tǒng)相兼容，且可以在保留原物體信息的基礎(chǔ)上，很好的去除零級(jí)像和共軛像，這些特點(diǎn)使它備受人們關(guān)注。

相移數(shù)字全息圖像加密技術(shù)

1、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1）基于相移干涉儀的加密系統(tǒng)

基于相移干涉儀的加密系統(tǒng)艮3加密時(shí)，待加密圖像f(x，y)和兩塊隨機(jī)相位板RPM、RPM。置于干涉儀的物光光路上，其中，f(x，y)和RPMI緊貼在一起與RPM。距離為di，參考光路上放置兩塊可以分別引入λ／2和λ／4的相位延遲的滯波片PR，和PR2。物光經(jīng)過(guò)距離分別為d和d2的兩次菲涅爾衍射后與參考光相干疊加，在輸出平面形成加密的全息信號(hào)。通過(guò)交替選擇相位延遲的組合，使參考光和物光之間分別產(chǎn)生O、π／2、π和3π/2的相位差，并用CCD記錄相應(yīng)的四張全息圖，即加密信息。解密時(shí)，先用四步相移算法恢復(fù)記錄面上的物光，再對(duì)它進(jìn)行衍射距離分別為d2和di的兩次菲涅爾逆變換，并乘以相應(yīng)位相板的共軛位相消除其影響，即可實(shí)現(xiàn)圖像的重現(xiàn)。

2）4-f加密系統(tǒng)

基于4-f的加密系統(tǒng)加密時(shí)，待加密圖像f(x，y)和一塊RPM．置于4-f系統(tǒng)的輸入面上，另一塊RPMz置于4-f系統(tǒng)的傅立葉平面9透射f(x，y)的光波被兩塊PRMs調(diào)制形成光軸方向的物光，此物光與一束離軸的參考光在輸出面發(fā)生干涉。全息圖被4-f系統(tǒng)輸出面上的CCD接收并轉(zhuǎn)換成數(shù)字全息信號(hào)，傳輸?shù)浇邮斩恕０演斎朊嫔系脑紙D像f(x，y)和RPM l移開(kāi)后，在CCD平面接收到的圖像即可作為解密密鑰。解密時(shí)，密鑰和秘密圖像分別作為輸入信號(hào)，并排的置于輸入面上，這一混合信號(hào)經(jīng)過(guò)4-f系統(tǒng)變換就能恢復(fù)得到原始圖像。

3）光學(xué)聯(lián)合變換相關(guān)器加密系統(tǒng)

光學(xué)聯(lián)合變換相關(guān)器(JTC)多應(yīng)用于圖像識(shí)別領(lǐng)域，最近又有學(xué)者將它應(yīng)用于圖像加密技術(shù)。加密時(shí)，JTC輸入平面上的一側(cè)是緊貼在一起的待加密圖像f(x，y)和RPMi（相當(dāng)于干涉的物光光路），另一側(cè)是RPM（相當(dāng)于干涉的參考光路），用CCD在輸出面上接收聯(lián)合傅立葉功率譜，此功率譜即為被加密的信息。移去f(x，y)和RPM1而形成的聯(lián)合傅立葉功率譜即為解密密鑰。解密時(shí)，把解密密鑰和秘密圖像分別作為輸入信號(hào)，并排置于JTC的輸入面上，經(jīng)過(guò)聯(lián)合傅立葉相關(guān)逆變換就能恢復(fù)得到原始圖像。這種系統(tǒng)不但克服了傳統(tǒng)的4-f系統(tǒng)對(duì)元件的空間排列精度要求非常高，系統(tǒng)的容偏能力低的缺點(diǎn)，而且作為加密圖像的聯(lián)合傅立葉功率譜可以直接打印和輸出，解密過(guò)程不必制作解密密鑰的復(fù)共軛相位板，并且密鑰在輸入平面內(nèi)移動(dòng)對(duì)解密圖像沒(méi)有任何影響，只是改變了它的位置。

2、提高系統(tǒng)效率的方法

為了提高加密系統(tǒng)的工作效率，提出了多種相應(yīng)的加密技術(shù)。雖然這些方法的原理不同，各有其優(yōu)缺點(diǎn)，但它們都可以應(yīng)用于上述各種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

1）改進(jìn)相移算法

在改進(jìn)相移算法方面，一種方法是用三步相移算法代替四步相移算法實(shí)現(xiàn)加密。此種方法依然用相移干涉儀系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)加密，基本原理與上述四步相移方法完全相同，但它采用三步相移算法實(shí)現(xiàn)加密與解密。在加密過(guò)程中，針對(duì)一張待加密圖片，我們只需要記錄傳、輸送三張全息圖，從而減小一張圖片的傳輸量，另一種方法是用兩步相移算法實(shí)現(xiàn)加密。針對(duì)一張待加密圖片，此種方法只需要記錄、輸送兩張全息圖即可通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到記錄面上的物光復(fù)振幅，繼而恢復(fù)原圖像。這種方法解密時(shí)避開(kāi)了相移技術(shù)，單純依靠數(shù)字計(jì)算實(shí)現(xiàn)了信息的恢復(fù)。但是，它必須滿(mǎn)足一定的條件：相移量艿必須在0到π之間，并且記錄面上的參考光振幅A：必須大于物光振幅A。的最大值，即必須選擇適當(dāng)?shù)膮⒖脊庹穹鵄，和相移量。

2）用部分加密信息解密再現(xiàn)圖像

這種方法的基本思想是：在加密方，先用相移數(shù)字全息的方法恢復(fù)記錄面上的物波光場(chǎng)U(x，y)，然后只傳送U(x，y)的實(shí)部、虛部或相位信息，繼而在接受方用它們代替U(x，y)實(shí)現(xiàn)圖像的解密。雖然被傳送的只是物光場(chǎng)的部分信息，但用它們解密再現(xiàn)的圖像仍清晰可辯，只是包含了一些隨機(jī)噪聲。

3）雙圖像加密

雙圖像加密技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)兩幅圖像的同時(shí)加密與解密。它的基本思想是：先將兩幅圖像f(x，y)和g(x，y)分別作為振幅和相位信息，預(yù)編碼成新的物光復(fù)振幅信息O(x，y)，再利用相移數(shù)字全息技術(shù)加密O(x，y)。記錄的全息圖包含兩幅圖像的信息噸解密后，提取解密信息的振幅可恢復(fù)圖像O(x，y)，提取解密信息得相位即可恢復(fù)圖像g(x，y)。需要說(shuō)明的是，解密圖沒(méi)有隨機(jī)噪聲的污染，但O(x，y)相位分布必須在O到兀之間。此方法加密兩幅圖像的數(shù)據(jù)傳輸量與原來(lái)加密一幅圖像的數(shù)據(jù)傳輸量相同，大大減少了通信鏈路得負(fù)載。

4）多圖像加密

多圖像加密技術(shù)的基本思想是：加密時(shí)，用不同的隨機(jī)位相模板編碼不同的圖片，并記錄下相應(yīng)的加密全息圖，再把相對(duì)應(yīng)的全息圖相加合成一副圖像傳遞給接收方。解密時(shí)，先根據(jù)所采用的相移技術(shù)用所接收的合成全息圖再現(xiàn)復(fù)合光波信息，再利用與圖像相對(duì)應(yīng)的密鑰解密各圖像。這種方法恢復(fù)的圖像會(huì)存在一定的隨機(jī)噪聲，且隨著圖片數(shù)的增多，它們的信噪比會(huì)降低。當(dāng)加密的圖片數(shù)小于5時(shí)，解密圖像都可以辨別，且當(dāng)圖片數(shù)到達(dá)一定數(shù)目后，再現(xiàn)圖像的均方誤差就幾乎不變了p此方法只需把合成的全息圖作為加密信息傳給接收者，實(shí)現(xiàn)多幅加密圖像信息的同時(shí)傳輸，從而減少了數(shù)據(jù)的傳輸量，提高了系統(tǒng)的效率。

3、提高系統(tǒng)安全性的方法

1）用數(shù)字水印技術(shù)保護(hù)加密信息

用數(shù)字水印保護(hù)加密信息的圖像加密技術(shù)是針對(duì)加密全息圖容易被惡意攻擊者發(fā)現(xiàn)截獲的缺點(diǎn)提出的。它把加密的全息圖作為數(shù)字水印隱藏在宿主圖像內(nèi)，使它們看起來(lái)和一般的數(shù)字圖像沒(méi)什么區(qū)別，從而起到保護(hù)加密信息的作用。而且，加密的全息圖可以使用同一幅宿主圖像，也可以使用不同的宿主圖像，當(dāng)使用同一幅宿主圖像時(shí)，解密圖像清晰可辯，不受宿主圖像的任何影響。

2、用隨機(jī)像素亂置技術(shù)增強(qiáng)系統(tǒng)安全性

用隨機(jī)像素亂置增強(qiáng)系統(tǒng)安全性的圖像加密技術(shù)在加密時(shí)，把像素亂置技術(shù)加到位相掩模上，由隨機(jī)亂置矩陣(RPM)控制位相掩模不同像素值之間的相互交換。解密時(shí)，在得到正確的位相掩模函數(shù)、幾何參數(shù)和RPM的情況下，可以經(jīng)反亂置變換等一系列操作恢復(fù)得到原圖像。而如果沒(méi)有相應(yīng)的RPM，即使得到正確的位相掩模函數(shù)和幾何參數(shù)，攻擊者也不能進(jìn)入加密系統(tǒng)，破解秘密信息。

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