光学信息安全简介

基于相位恢复技术的安全系统
Fig.6. 光学认证系统
Fourier plane
Fourier plane
Fourier plane
Wang, R. K., I. A. Watson, et al. (1996). “Random phase encoding for optical security.” Optical Engineering 35(9): 2464-2469.
基于数学的密码理论与技术
非数学的密码理论与技术
按密钥管理方式分类
对称密码系统:
明文 加密 密文 密钥K 解密 明文
公钥密码系统:
明文 加密 密文 解密 明文
公钥K1
私钥K2
信息隐藏
又称信息伪装，就是通过减少载体的某种 冗余，如空间冗余、数据冗余等，来隐藏敏 感信息，达到某种特殊的目的，如保密通信、 版权保护及用户追踪等。
基于数字相移ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ息技术的加密系统
Tajahuerce E,Matoba O.Optoelectronic information encryption with phase-shifting interferometry.Applied Opticals,2000,39(4)
基于联合变换相关器的光学加密系统
图像的波前或光强分布，实现图像数据的加密。
传播理论
标量衍射理论条件：
①衍射孔径比波长大得多； ②观察点必须离衍射场足够远。
角谱传播理论：
由于各个不同空间频率的空间傅里叶分量可 看作室沿不同方向传播的平面波，因此空间频 谱为平面波谱即复振幅分布的角谱。
平面波角谱的衍射理论
从频域的角度即用平面波角谱方法来讨论衍射问题 前面已经讨论过频域的角谱传播问题，在由已知平面上的光场分 布 U ( x, y,) 可通过傅里叶变换得到其角谱
数字全息术
全息图 CCD 数字全息图 输出重建图像 数值重建
Fig.4. 数字全息术的全过程
⑴相移数字全息
在数字全息记录过程中引入了相移技术。
⑵傅里叶变换数字全息
傅里叶变换全息图不是记录物光波本身，而是记录 物光波的傅里叶频谱。
“光学信息安全”国内外研究进展
•
基于“双随机相位编码（DRPE）”的安全系统 （4f系统、菲涅尔变换、分数傅立叶变换、Hartly变换等） 基于结合“DRPE”和其他技术的安全系统
替换振幅， 更新相位
逆傅立叶变 换 Fig.5. GS算法原理图
g e j
替换振幅， 相位不变
R. Gerchberg ,W. Saxton. A practical algorithm for the determination of phase from image and diffraction plane pictures, Optik, 1972, 35(2): 237～246
A( f x , f y ,0) U ( x, y,0) exp[ j 2 ( xf x yf y )]dxdy

其后，可以求出它传播到平面 z z 上的角谱
A( cos cos cos cos , , z ) A( , ,) exp jkz cos cos
* *
f x, y N x, y
基于相移干涉的物体数字全息记录
Kishk S,Javidi B.Watermarking of three-dimensional objects by digital holography. Optical Letters,2003,25(9)
信息嵌入（information
信息提取（information
embedding）
extracting）
数字水印 信息隐藏最重要的一个分支
光学信息安全技术优势：
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
光学密码系统的理论基础
从本质上看，光学密码学属于信息光学 的范畴。
光学加密方法就是通过一定的光学变换扰乱原
加密过程
解密过程
Nomura T, Javidi B. Optical encryption using a joint transform correlator architecture[J]. Opt Eng, 2000, 39(8): 2031-2 035
相位恢复技术简介
在某些实际应用中（例如：电子显微成像、波 前传感、天体物理、晶体学），直接测量物体波前 的相位分布很困难，甚至是不可能的，通常能够直
（其他技术包括：数字全息、相移干涉、光学相关器等）
•
• • •
基于“相位恢复”技术的安全系统 其他典型的基于光学思想的安全系统 光学安全系统的密码学分析
4f系统（即三透镜系统）
变换 滤波器 成像
准直
Fig.5. 典型 4f系统
基于4f系统的双随机相位编码
基本原理： 在输入面和傅里叶频谱面上各放置一个互不相关的 随机相位掩模板，从而对输入图像进行加密，在输出 平面上得到加密图像，加密后的图像时统计特性随时 间平移不变的广义平稳白噪声。
加密时，输入信号 f x, y在空域受到随机相位 函数 N x, y 的调制，在频域被随机函数 B , 滤 波。
加密结果可以表示为：
x, y FT 1 FT f x, y N x, y B x, y
接测量到的数据只是物体波前的强度分布，但相位
部分往往含有更多的有效信息
——因此，如何利用测量到的强度数据有效地
恢复出物体波前的相位分布相关领域的一个重要问 题。
相位恢复技术简介
GS（Gerchberg-Saxton）算法：
f e
j
傅立叶变换
g e j
频谱面约束
物面约束
f e j
此加密过程在频域中的表示为：
, FT f x, y N x, y B ,
解密过程表示为：
FT
1
f D x, y FT 1 , B ,
FT f x, y N x, y B , B ,






最后，通过傅里叶反变换可以进而得到用已知的 U ( x, y,) 表示的
衍射光场分布，从而得到空域中的衍射公式。
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菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射
Fig.2.按传播距离划分衍射区
光全息术
记录物光振幅信息的同时，还记录的物光的 相位信息。 特点：三维立体性、可分割性
Fig.3.全息照相的拍摄和再现原理示意图
光学信息安全简介
目录
“信息安全”基础知识 （密码学、信息隐藏、安全认证等）
“信息光学”基本理论 （衍射、全息、相移干涉、光学相关器、 相位恢复等） “光学信息安全”国内外研究进展
密码学
信息安全的核心
密码学(Cryptology)：是研究编制密码和破译密码 的技术科学。 密码学的两个分支


密码编码学(Cryptography): 主要研究对信息进行编码, 实现对信息的隐蔽。 密码分析学(Cryptanalytics):主要研究加密消息的破译 或消息的伪造。
f ( x, y) PRM1
L1
PRM 2
L2
g ( x, y )
P 1
P 2
P 3
f
f
f
f
Fig.3. 双随即相位编码示意图
P.Refregier, B.Javidi.“Optical image encryption based on input and Fourier plane random encoding.” Optics Letters ,1995,20(7): 767-769.