隨著高速個(gè)人計(jì)算機(jī)、高分辨率彩色激光打印機(jī)/復(fù)印機(jī)、掃描儀和電荷耦合器件的發(fā)明和應(yīng)用，以及全息技術(shù)的不斷普及，全息防偽技術(shù)的安全性能大大降低。文字、圖像、信用卡、證件和商標(biāo)愈來愈容易被復(fù)制，給國家、企業(yè)和個(gè)人造成巨大損失。因?yàn)楣鈱W(xué)信息處理系統(tǒng)具有高處理速度、高并行度、高加密維度、能快速實(shí)現(xiàn)卷積和相關(guān)運(yùn)算等特點(diǎn)，所以，接下來我給大家介紹一種隨機(jī)相位編碼光學(xué)圖像加密技術(shù)。

一、雙隨機(jī)相位編碼光學(xué)圖像加密技術(shù)原理

在光學(xué)圖像加密技術(shù)中，為了使加密后的圖像難以破譯，應(yīng)該使它盡可能接近統(tǒng)計(jì)無關(guān)的均勻隨機(jī)噪聲，這樣，在未知解密密鑰的情況下幾乎不能恢復(fù)出原來的圖像。一般來說，原圖像的傅里葉譜密度分布是不均勻的，低頻部分集中了大部分能量，密度較大。由于一般圖像都是正值函數(shù)，可以利用其傅里葉譜的強(qiáng)度信息來復(fù)原。因此，對(duì)圖像進(jìn)行加密可以通過擾亂它的譜信息，調(diào)整譜密度分布，使之均勻化來實(shí)現(xiàn)。

基于上述原理，有專家提出用雙隨機(jī)相位編碼進(jìn)行圖像加密技術(shù)。該技術(shù)是采用4f系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)：

把兩塊統(tǒng)計(jì)無關(guān)的隨機(jī)相位掩模分別置于系統(tǒng)的輸入平面和傅里葉頻譜平面，分別對(duì)原圖像的空間信息和頻譜信息作隨機(jī)編碼，最后在輸出平面上獲得統(tǒng)計(jì)無關(guān)的白噪聲。由光路的可逆性可知，解密是加密的逆過程，如果是用光強(qiáng)探測器接受解密圖像的話，對(duì)于正的實(shí)函數(shù)圖像，只需要傅里葉譜平面的加密密鑰的復(fù)共軛作為解密密鑰；而對(duì)于虛函數(shù)圖像，則需要兩塊隨機(jī)相位掩模對(duì)應(yīng)復(fù)共軛作為解密密鑰。另外，由于4f系統(tǒng)的特性，只有當(dāng)解密密鑰及其空間位置都匹配得非常精確時(shí)，才能得到清晰的解密圖像。一般來說，用作密鑰的隨機(jī)相位掩模都具有極高的分辨率，因而密鑰的空間非常大，在不知密鑰相位分布的情況下，很難通過盲目的反卷積運(yùn)算恢復(fù)原圖像，因而該技術(shù)具有較高的安全性。

二、基于隨機(jī)相位編碼的光學(xué)加密系統(tǒng)

用雙隨機(jī)相位編碼技術(shù)具有較高安全性能，引起了世界上許多國家科研人員的關(guān)注，紛紛投入到這一研究領(lǐng)域，大大促進(jìn)了該理論和技術(shù)的發(fā)展。隨著對(duì)該技術(shù)研究的不斷深入，人們逐漸發(fā)現(xiàn)其中的一些系統(tǒng)缺陷，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)系統(tǒng)。

1、聯(lián)合變換相關(guān)加密系統(tǒng)

4f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，在解密階段需要制作密鑰的復(fù)共軛相位板，并且通過它所獲得加密圖像為復(fù)數(shù)，不便直接打印和輸出。針對(duì)這些缺點(diǎn)，專家提出利用JTC系統(tǒng)進(jìn)行光學(xué)圖像文件加密。

在該方法中，與其中一塊相位板緊貼在一起的待加密圖像同另外一塊作為解密密鑰的相位板并排地置于JTC的輸入平面，然后對(duì)它們進(jìn)行傅里葉變換，最后得到的聯(lián)合傅里葉功率譜作為加密圖像。解密時(shí)，把作為密鑰的相位板置于空間平面的相應(yīng)位置，加密圖像置于傅里葉頻譜平面，經(jīng)過頻域?yàn)V波后，再經(jīng)過一次傅里葉逆變換，在相應(yīng)的位置便得到其解密圖像。顯然，從上述加密和解密過程可以看出，JTC加密系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)雙隨機(jī)相位加密系統(tǒng)的上述缺點(diǎn)，作為加密圖像的聯(lián)合傅里葉功率譜可以直接輸出打印，在解密過程中避免了制作解密密鑰的復(fù)共軛所帶來的麻煩，并且密鑰在輸入平面內(nèi)的移動(dòng)僅僅只是改變解密圖像的位置，對(duì)解密圖像的質(zhì)量沒有任何影響。

2、分?jǐn)?shù)傅里葉變換系統(tǒng)

在傳統(tǒng)的雙隨機(jī)相位加密技術(shù)中，作為密鑰只有兩個(gè)相位板。為了獲得更多的密鑰，提高系統(tǒng)的安全性能，印度的UnnikrishnanG等根據(jù)光波前所遵循的二次相位規(guī)律，提出一個(gè)更具一般性的雙隨機(jī)相位編碼加密系統(tǒng)——FRT加密系統(tǒng)。

該系統(tǒng)跟4f系統(tǒng)類似，有三個(gè)平面：輸入平面、加密平面和輸出平面。在輸入平面和加密平面上各放置一塊隨機(jī)相位板，用平面相干光照射系統(tǒng)，通過第一個(gè)相位板調(diào)制的圖像信號(hào)經(jīng)過第一塊透鏡作分?jǐn)?shù)傅里葉變換后，再用第二塊相位板對(duì)它的空間頻率進(jìn)行調(diào)制，最后經(jīng)過第二塊透鏡作分?jǐn)?shù)傅里葉逆變換，在輸出平面上得到加密圖像。這三個(gè)平面相鄰兩個(gè)之間通過具有三個(gè)參數(shù)的(輸入、輸出尺度縮放因子以及分?jǐn)?shù)傅立葉變換的階數(shù))分?jǐn)?shù)傅里葉變換相聯(lián)系的，因而該加密系統(tǒng)除了擁有相位板作為密鑰之外，這六個(gè)參數(shù)也將起到密鑰的作用。另外，還可以增加透鏡個(gè)數(shù)組成所謂的級(jí)聯(lián)加密系統(tǒng)，將獲得更多的密鑰，這樣大大提高了系統(tǒng)的安全性能。

3、基于菲涅耳域的圖像加密系統(tǒng)

在4f系統(tǒng)中，兩塊相位板分別位于兩個(gè)特殊的平面內(nèi)，因此相位板的縱向位置不能作為密鑰。針對(duì)這一點(diǎn)，GuohaiSitu和JingjuanZhang提出在菲涅耳域進(jìn)行圖像加密。

該系統(tǒng)也有三個(gè)平面：輸入平面、加密平面和輸出平面。與QPS加密系統(tǒng)不同的是：

該系統(tǒng)不需要透鏡，完全是利用菲涅耳衍射進(jìn)行圖像加密。在加密時(shí)，待加密圖像在輸入平面經(jīng)過第一塊相位板調(diào)制以后，直接經(jīng)過一段距離為z1的菲涅耳衍射到達(dá)加密平面進(jìn)行第二次調(diào)制，然后再經(jīng)過一段距離為Z2的菲涅耳衍射到達(dá)輸出平面。由于兩次菲涅耳衍射的距離可以是任意的，根據(jù)光的菲涅耳衍射原理，衍射距離不同，所得的衍射結(jié)果也不同，這樣在該加密系統(tǒng)中，除了兩塊相位板可以作為密鑰以外，兩次衍射的距離(也就是相位板的縱向位置)也成為系統(tǒng)的密鑰。另外，由于衍射結(jié)果對(duì)照射光波長的敏感性，照射光的波長也成為了系統(tǒng)的密鑰，這樣既簡化了系統(tǒng)，又增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性能。

4、基于數(shù)字全息的隨機(jī)相位加密系統(tǒng)

一般來說，經(jīng)純粹的光學(xué)系統(tǒng)加密的圖像數(shù)據(jù)是復(fù)數(shù)形式，必須以全息方式存儲(chǔ)，采用這種方式存儲(chǔ)的信息，很難適時(shí)通過數(shù)據(jù)通信鏈路傳輸，而且必須用光學(xué)的方法解密原圖像。為了讓光學(xué)加密技術(shù)更好的與數(shù)字信號(hào)處理和通信系統(tǒng)相兼容，EnriqueTajahuerce提出基于數(shù)字全息的隨機(jī)相位加密系統(tǒng)。

該加密系統(tǒng)是采用移相干涉儀實(shí)現(xiàn)圖像加密的：把其中一塊隨機(jī)相位板與待加密圖像緊貼在一起置于物光光路上，另一塊隨機(jī)相位板則置于參考光路上，在此光路上還放置了兩塊滯波片，分別引起l/2和l/4的相位延遲。通過交替選擇相位延遲組合，使參考光與物光之間產(chǎn)生值為0、π/2、π、3π/2的相位差，從而在輸出平面上形成干涉，產(chǎn)生加密全息信號(hào)，然后用CCD接收此加密信號(hào)，經(jīng)CCD光電轉(zhuǎn)換后，所獲得的數(shù)字全息圖像就可以進(jìn)行數(shù)字處理和通過通信鏈路傳輸。這樣，加密的信息就可以直接存儲(chǔ)和傳輸，不再需要全息底片，從而帶來了很大的靈活性。

各種改進(jìn)型加密系統(tǒng)在性能上有所提高，密鑰的構(gòu)成趨向多元化。但是這些系統(tǒng)一般沒有綜合考慮各個(gè)因素(密鑰級(jí)別、系統(tǒng)簡化、抗噪性能等)，往往是提高了一方面的指標(biāo)卻降低了另外一方面的性能。例如，QPS級(jí)聯(lián)加密系統(tǒng)，雖然

密鑰級(jí)別提高了，但是加密系統(tǒng)卻復(fù)雜了。另外，幾乎所有的加密系統(tǒng)都是采用平行光照射，沒有充分利用照射光的固有特性來為加密服務(wù)，雖然利用照射光的波長和偏振態(tài)進(jìn)行圖像加密已有報(bào)道，但是利用照射光的相位因子進(jìn)行圖像加密的還未曾報(bào)道。因此這一領(lǐng)域的發(fā)展空間很大，理論和實(shí)驗(yàn)研究有待進(jìn)一步深入。同時(shí)，隨著網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展，安全性與速度的矛盾日益突出，利用高速并行的光學(xué)信息處理系統(tǒng)進(jìn)行光學(xué)圖像加密必將會(huì)成為人們的研究熱點(diǎn)。

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