光学信息安全简介

21世纪是信息化和网络化的时代，网络和信息系统在人们的生活、工作和学习中发挥着越来越大的作用。然而，随着人们对信息化期望程度的加深，一个不容忽视的新课题已经摆在人们面前，那就是网络与信息的安全问题。对于这些安全性问题的解决，则依赖于信息安全技术的进步和发展。因此，对信息安全技术的研究有着至关重要的作用，这不仅具有学术上的价值，同时对全人类社会的发展也有着重要的推进作用。

基于光学理论与方法的数据加密和信息隐藏技术是近年来在国际上开始起步发展的新一代信息安全理论与技术----光学信息安全技术。这门新兴的交叉学科涉及到信息安全、光学、信息处理等多方面的知识，它研究目的是基于光学的物理过程设计和构造保障信息安全的算法和系统。相对于传统的信息安全技术而言，光学信息安全技术主要有以下几个优势：第一，光学密码系统本身具有并行性，如在光学系统中一幅二维图像中的每一个像素都可以同时地被传播和处理；第二，光学密码系统通常具有超大的密钥空间；第三，光学密码系统具有多维度的特性，一些系统的固有参数，如振幅、相位、波长、偏振态、衍射距离以及光学元件的参数等，都可以作为光学密码系统的密钥参数，实现多维度的加密。因此，光学信息安全技术具有多维、大容量、高设计自由度、高鲁棒性、天然的并行性、难以破解等诸多优势。

光学信息安全技术主要可以分为三大类：光学密码学、光学信息隐藏和光学认证技术。

在光学密码编码方面，Refregier和Javidi在1995年首次提出了基于4f 光学结构的双随机相位编码光学加密系统，在标准的4f光学结构中利用两块统计独立的随机相位模板作为密钥来对图像做加密。这一方案所采用的光学结构简单，易于操作，效果良好，是光学信息安全领域中最具代表性的里程碑式的工作，它揭开了光学信息安全技术的新篇章。自上述工作发表以来，国内外出现了很多基于4f光学结构的光学密码编码方面的研究报道。其中比较具有代表性的工作包括但是不限于：2000年，G.Unnikrishnan等人提出了一种基于分数傅里叶变换的光学加密方案，该系统中的密钥除了随机相位模板外，分数傅里叶变换的级次也可以作为密钥，从而增大了密码系统的密钥空间；同年，Javidi和Nomura 提出了一种基于4f光学结构和数字全息技术的光学密码系统，通过引入数字全息技术，系统中的CCD可以被更加有效地利用，增加了系统的通信效率，解密过

程只需要一步快速傅里叶变换即可重建原始信息；随后，Liu等人研究了分数傅里叶变换在光学图像加密和模式识别方面等方面的应用，提出将广义分数卷积概念应用于光学图像加密，进而又发展了一种多重分数傅里叶变换加密算法；2004年，Situ等人提出了基于菲涅尔衍射的光学密码系统，将基于4f光学结构的双随机相位编码的光学密码系统从傅里叶变换域拓展到了菲涅尔变换域，提高了系统的灵活性和安全性；2005年，Yu和Peng提出了一种基于级联相位恢复算法的光学密码系统，利用相位恢复算法，将明文中的信息分别加密到了两块统计独立的随机相位模板中，实现了图像的加密；2008年，Zhang等人提出了一种基于双光束干涉的光学图像加密方案，该方案将明文图像利用解析的方法直接编码到了两块随机相位模板上，不需要利用迭代算法，大大提高了工作效率；2006年和2010年，Peng和Qin先后提出了两种光学非对称密码系统，是光学信息安全领域内对非对称密码体制的最早探索。

在光学信息隐藏这一领域中，学者们也表现出了浓厚的兴趣，目前，这一领域的大部分工作都集中在数字水印方面。其中，比较具有代表性的工作包括但是不限于：2002年，Takai和Mifune提出利用全息技术可以进行数字水印的研究，该方法首先将水印信息用随机相位函数调制并用傅里叶变换全息术记录下来数字全息图，接着将宿主图像经过低通滤波器进行滤波以去除高频分量，最后将得到的数字全息图加载与低通滤波后的宿主信息上，从而完成水印的嵌入过程，水印的提取过程非常简单，只需对嵌入水印后的载体数据进行逆傅里叶变换即可以提取出水印信息；2005年，Chang和Tsan提出一种离散余弦变换（DCT）域的数字全息水印技术，改善了Takai和Mifune水印算法中存在的宿主信息嵌入水印后的明显质量下降问题；2007年，Peng等人提出了一种基于半色调编码计算全息图的数字水印方法，并且利用空间光调制器搭建了水印嵌入/提取的光电混合系统，这一方法可以用于打印或印刷图像信息的保护和鉴别；2009年，Wang等人提出了一种基于双光束干涉的双图像隐藏方案；2011年，Shi等人提出一种在菲涅尔域的图像隐藏方案，该方案通过光学联合变换相关器（JTC）和全息技术来实现；

在光学认证技术方面，通常采用联合变换相关器（JTC）作相关检验来判别真伪，安全性很高。比较具有代表性的工作包括但是不限于：1991年，Fielding 和Homer等人提出了基于二元联合变换相关器（BJTC）的光学指纹识别系统，这

是最早开始的光学生物特征识别的研究之一；在1997年，Javidi等人提出了一种基于的指纹认证方案，在这种方案中，指纹信息被编码到复振幅的相位上，随后利用纯相位掩膜对其调制，进而使得调制后的信息无法被强度探测器所探测到，从而大大地提高了安全性；2004年，Chang等人提出了一种基于JTC的不对称图像的认证方案，利用修正的相位恢复算法，可以将输出面的图像编码到纯相位分布的“相位钥”上，认证时，在联合变换相关器中利用正确的“相位钥”，即可以在输出面上得到正确的图像，从而完成认证；2005年，Situ等人提出了一种基于隐藏图像“易脆性”的光学认证方案；2006年，日本的Suzuki等人提出一种基于双随机相位编码的指纹认证方案,该方案将指纹图频谱的相位部分作为密钥，加密一幅二维图像，并以全息的方式将其写在系统的访问卡上，认证时，只有当持卡人拥有正确的指纹，方能将二维图像解出，从而通过认证；2011年，Yuan提出了一种基于双光束干涉和菲涅尔衍射的光学认证方案；2013年，He提出一种基于双光束干涉的分级身份认证方案，并且引入了散列函数，具有较高的灵活性和安全性。