光學(xué)加密技術(shù)作為一種新的加密手段,近年來得到了快速發(fā)展,成為現(xiàn)代加密技術(shù)的重要研究內(nèi)容之一。簡要概括光學(xué)加密技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展過程。就影響較大的幾種光學(xué)加密技術(shù),如雙隨機(jī)相位編碼方法、基于分?jǐn)?shù)傅里葉變換的加密方法、基于菲涅耳變換的加密方法、基于聯(lián)合變換相關(guān)器的加密系統(tǒng)、利用離軸數(shù)字全息的加密系統(tǒng)和利用相移干涉技術(shù)的加密系統(tǒng)以及基于相位恢復(fù)算法的加密技術(shù)等作了分類評述和討論。介紹各種加密方案的技術(shù)特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)方法,討論實(shí)際應(yīng)用中尚存在的問題,并對其應(yīng)用前景作了進(jìn)一步闡述。

信息的加密與防偽技術(shù)是當(dāng)今信息安全領(lǐng)域中的重要內(nèi)容，其中的光學(xué)和光電信息加密與防偽技術(shù)由于其并行性、高速度和低成本而倍受人們的青睞。 20世紀(jì)70年代，美國出現(xiàn)了一些光學(xué)安全技術(shù)專利。這些專利主要用于身份驗(yàn)證、 防偽等領(lǐng)域。

20世紀(jì)80年代末期，AmericanBanknoteHolographic公司利用全息防偽技術(shù)制作Visa和 MasterCard信用卡，滿足了當(dāng)時貿(mào)易和金融領(lǐng)域 的需求。此后十多年間，彩虹全息防偽技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。

20世紀(jì)90年代以后，計算機(jī)硬件、軟件的發(fā)展以及Internet的產(chǎn)生將人們帶入信息社會。各行各業(yè)對信息技術(shù)廣泛應(yīng)用，自然迫切地需要一種安全、高效的信息加密技術(shù)。傳統(tǒng)加密技術(shù)主要依靠計算機(jī)或數(shù)字信號處理器(digitalsignalprocessing，DSP)等電子手段來實(shí)現(xiàn)，這些方法受到速度和成本的限制。一些研究人員自然地轉(zhuǎn)向利用光學(xué)或光電方法加密。光學(xué)信息處理技術(shù)本身具有高速度、并行性的特點(diǎn)；光的波長短、 信息容量大；同時又具有振幅、相位、波長、偏振等多種屬性， 是多維的信息載體。這些優(yōu)點(diǎn)使得利用光學(xué)信息處理技術(shù)完成數(shù)據(jù)加密等任務(wù)與利用電子手段相比具有天然的優(yōu)勢。

PhilippeRefregier等提出了雙隨機(jī)相位編碼方法，這種方法具有較好的安全性和魯棒性。從此光學(xué)加密技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展時期。研究人員隨后提出了基于分?jǐn)?shù)傅里葉變換的加密方法、 基于菲涅耳變換的加密方法、基于聯(lián)合變換相關(guān)器的加密系統(tǒng)、利用離軸數(shù)字全息的加密系統(tǒng)和利用相移干涉技術(shù)的加密系統(tǒng)等大量新的或改進(jìn)的加密系統(tǒng)，使得光學(xué)加密領(lǐng)域的研究異彩紛呈。雖然目前光學(xué)加密技術(shù)的發(fā)展方興未艾，但其前景不可估量?？偟膩碚f，與電子手段相比，現(xiàn)有的光學(xué)加密系統(tǒng)還存在一些缺點(diǎn)：可實(shí)施性、靈活性與穩(wěn)定性都有待提高。

光學(xué)加密技術(shù)的歷史回顧

1.雙隨機(jī)相位編碼方法

PhilippeRefregier等提出了對圖形或圖像的雙隨機(jī)相位編碼方法。 整個加密系統(tǒng)由一個4f系統(tǒng)和分別位于其輸入平面和傅 里葉頻譜面的相位掩膜構(gòu)成， 如圖1(a)所示。用準(zhǔn)直相干光照射位于輸入平面的原始圖像f(x，y)，原始圖像信息依次經(jīng)過空間域和頻 率域的兩次調(diào)制得到加密結(jié)果。文字或圖樣等原始信息加密得到的結(jié)果q(x， h)是均勻分布的白噪聲，因此達(dá)到了加密的目的。解密 過程是加密過程的逆過程，如圖1(b)所示，把待解密的圖像q(x，h)放在4f系統(tǒng)的輸入平面，把加密過程中傅里葉平面上相位掩膜的復(fù)共 軛exp[-i2p(u，v)]作為解密密鑰放在傅里葉頻譜面，輸出平面上得到的復(fù)振幅分布為f (x，y)exp[i2pf(x，y)]。由于原始圖像f(x，y) 為強(qiáng)度分布，因此用CCD來探測這個復(fù)振幅分布就可以得到原始圖像f(x，y)。

雙隨機(jī)相位編碼方法具有并行、 高速、安全、成本低等特點(diǎn)，一經(jīng)提出就受到了廣泛關(guān)注。隨后人們發(fā)現(xiàn)它有一些問題，如加密結(jié)果為復(fù)振幅分布、各掩膜位置需要精確對準(zhǔn)等，因此相繼提出了一些改進(jìn)方案。歸納起來主要有以下幾個方面：1)為了進(jìn)一步提高安全性而提出了基于分?jǐn)?shù)傅里葉變換和基于菲涅耳變換的加密方法等；2)雙隨機(jī)相位加密系統(tǒng)中各掩 膜的空間位置需要精確對準(zhǔn)，因而給實(shí)際應(yīng)用造成了困難，為此研究人員提出了基于聯(lián)合變換相關(guān)器的光學(xué)加密系統(tǒng)；3)雙隨機(jī)相位加密系統(tǒng)的加密結(jié)果為復(fù)振幅分布，這給記錄和傳輸帶來了不便，為此研究人員提出了利用數(shù)字全息和相移干涉法的加密技術(shù)。

2.基于分?jǐn)?shù)傅里葉變換的加密方法

分?jǐn)?shù)傅里葉變換最早由VictorNamias在解決量子力學(xué)問題中提出，在光學(xué)中主要應(yīng)用于相位恢復(fù)、光束整形、空間濾波、圖像加密等領(lǐng)域。本節(jié)討論它在圖像加密領(lǐng)域中的應(yīng)用。

一種基于分?jǐn)?shù)傅里葉變換的加密方法把雙隨機(jī) 相位中的傅里葉變換替換為分?jǐn)?shù)傅里葉變換 。讓原始圖像依次經(jīng)過位于空間域的相位掩膜，階數(shù)為a1的分?jǐn)?shù)傅里葉變換，位于分?jǐn)?shù)傅里葉變換域的相位掩膜，階數(shù)為a2的分?jǐn)?shù)傅里葉變換，得到加密結(jié)果，位于分?jǐn)?shù)傅里葉變換域的相位掩膜和兩個階數(shù)共同作為解密密鑰，加大了密鑰空間，提高了系統(tǒng)安全性。解密為加密的逆過程。利用級聯(lián)的分?jǐn)?shù)傅里葉變換加密圖像，加密的圖像依次通過n個實(shí)現(xiàn)分?jǐn)?shù)傅里葉變換的光學(xué)單元，具有極高的安全性。

3.光學(xué)加密在全息存儲中的應(yīng)用和基于菲涅耳變換的加密方法

最早的基于菲涅耳變換的加密系統(tǒng)， 來源于對全息存儲(holographicstorage)進(jìn)行加密的研究，因此本節(jié)將這兩方面的進(jìn)展結(jié)合起來論述。 全息存儲具有高存儲容量和高速多維數(shù)據(jù)讀取能力等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的市場前景，目前InPhaseTechnologies公司已經(jīng)推出了商業(yè)化的產(chǎn)品。應(yīng)用于全息存儲的加密技術(shù)必須同樣高速，才能在全息存儲的高速讀寫過程中同步完成加密任務(wù)。

4.基于聯(lián)合變換相關(guān)器的光學(xué)加密系統(tǒng)

聯(lián)合變換相關(guān)器(jointtransformcorrelator,JTC)最早由Weaver和Goodman于1966年提出，具有對輸入圖像的平移不變性(shiftinvariable)，而且可以通過空間光調(diào)制器等光電器件實(shí)現(xiàn)實(shí)時化。它在信息安全領(lǐng)域中的主要應(yīng)用是圖像識別、身份驗(yàn)證和圖像加密等方面，本節(jié)關(guān)注它在圖像加密中的應(yīng)用。

雙隨機(jī)相位加密方法要求高精度對準(zhǔn)，解密密鑰必須是加密密鑰的復(fù)共軛， 這些都限制了它的實(shí)際應(yīng)用。聯(lián)合變換加密系統(tǒng)(jointtransformencryption system) 解決了這個問題。它是一個廣義白噪聲狀的光強(qiáng)分布，可以作為加密的結(jié)果。解密過程采用的是一個4f系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，把密鑰h(x，y)放在4f系統(tǒng)的輸入平面，把加密結(jié)果，即聯(lián)合相關(guān)功率譜放在傅里葉平面。則在輸出平面上得到的結(jié)果中有一項(xiàng)為f(x，y)p(x，y)IFT|H(u，v)|2，其中H(u，v)為h(x，y)的傅里葉變換。如果|H(u，v)|=1，即|H(u，v)|是純相位分布，則解密得到的強(qiáng)度分布就是原圖像f(x，y)。

5.基于離軸數(shù)字全息的加密系統(tǒng)和利用相移干涉

技術(shù)的加密系統(tǒng) 數(shù)字全息技術(shù)(DigitalHolography，DH)由Goodman和Lawrence于1967年提出，他們用電子感光元件代替?zhèn)鹘y(tǒng)全息干板來記錄全息圖，然后利用計算機(jī)再現(xiàn)。由于數(shù)字記錄介質(zhì)和計算機(jī)水平的限制，直到近十幾年隨著高分辨率光電成像器件的出現(xiàn)以及計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字全息技術(shù)才得到迅速發(fā)展，并已經(jīng)開始應(yīng)用在變形測量、顯微觀測、信息安全等領(lǐng)域。而在信息安全領(lǐng)域中又主要應(yīng)用在數(shù)字水印和信息加密兩方面。數(shù)字全息水印是信息隱藏的重要方法，由NobukatsuTakai和YutoMifune于2002年 提出，目前還出現(xiàn)了三維物體水印和在菲涅耳 域中嵌入水印的方法。

6.利用相位恢復(fù)算法的光學(xué)加密系統(tǒng)

Johnson和Brasher提出了一種基于相位恢復(fù)算法(phaseretrieval)的加密技術(shù)。該方法的加密過程由計算機(jī)完成,利用相位恢復(fù)算法將原始圖象加密到位于4f系統(tǒng)空間域或頻率域的掩膜中。解密過程中，將加密所得掩膜及相應(yīng)密鑰掩膜放置到4f系統(tǒng)中，利用平面相干光照射恢復(fù)出原始圖像。相位恢復(fù)算法是這種加密技術(shù)的關(guān)鍵，它保證兩個純相位掩膜可以在解密過程中恢復(fù)出原始圖像。該方法中的掩膜可以用衍射光學(xué)元件(diffractiveopticalelement，DOE)或空間光調(diào)制器(spatiallightmodulator，SLM)代替。

本文介紹了近年來影響較大的光學(xué)加密技術(shù)，其他研究進(jìn)展包括基于小波變換的加密系統(tǒng)，利用相襯技術(shù)(phasecontrast)的全相位加密系統(tǒng)，利用 平面集成微光學(xué)器件加密系統(tǒng)，偏振編(polarizationencoding)加密系統(tǒng)，虛擬(virtual)光學(xué)加密技術(shù)等。目前，光學(xué)加密已經(jīng)有一些國外專著。從近年文獻(xiàn)發(fā)表情況來看， 出現(xiàn)了許多綜合運(yùn)用多種技術(shù)的加密方法。這是由于前面介紹的利用單一技術(shù)的加密方法尚存在局限性， 研究人員希望取長補(bǔ)短，以提高加密系統(tǒng)的性能，或用于更多的應(yīng)用場合。

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