光學(xué)信息加密技術(shù)
信息安全技術(shù)已經(jīng)發(fā)展為一門綜合性交叉學(xué)科，它涉及到信息論、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機科學(xué)和密碼學(xué)等多方面的知識，它主要是運用一些先進的技術(shù)如電子加密技術(shù)等對用戶信息進行保護，從而不受偶然或惡意的侵犯，對用戶造成信息的泄露。隨著信息安全技術(shù)的不斷發(fā)展，其內(nèi)涵不斷延伸，由起初的信息保密發(fā)展到信息的可控性再而到現(xiàn)階段關(guān)于信息的管理控制、監(jiān)測評估等多方面的技術(shù)。從數(shù)學(xué)原理維度，信息安全技術(shù)的研究主要分為兩個方面，其分類圖如圖1所示。
圖1 信息安全技術(shù)分類圖
與基于數(shù)學(xué)難題的密碼學(xué)相比，光學(xué)信息安全技術(shù)有著高維度加密、高并行處理速度以及能快速實現(xiàn)卷積和相關(guān)運算的特點[1]，因此，在信息安全技術(shù)發(fā)展方向，光學(xué)信息安全技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢越來越明顯。在光學(xué)加密系統(tǒng)中，可以通過控制光的多自由度來設(shè)計系統(tǒng)的加密密鑰，對系統(tǒng)進行多維編碼，達到加密系統(tǒng)的高安全性的要求。
光學(xué)信息安全技術(shù)實質(zhì)上屬于信息光學(xué)的范疇。光學(xué)信息安全技術(shù)是基于光學(xué)原理的數(shù)據(jù)加密和信息隱藏技術(shù)[2、3]，由于光具有天然的并行處理的優(yōu)勢，近年來，光學(xué)信息安全技術(shù)發(fā)展迅猛，在各個領(lǐng)域的應(yīng)用也非常廣泛，在光學(xué)加密系統(tǒng)中，光波傳輸時受到衍射限制，必然伴隨著衍射現(xiàn)象的發(fā)生，并且能夠提供波長、振幅、相位、偏振態(tài)、空間頻率等參數(shù)，系統(tǒng)可以將這些參數(shù)以及衍射距離等作為系統(tǒng)的加密密鑰，實現(xiàn)衍射變換達到信息加密的目的。與傳統(tǒng)的基于數(shù)學(xué)的計算機密碼學(xué)和信息安全技術(shù)相比，光學(xué)信息安全技術(shù)具有多維密鑰空間、天然的快速并行處理大容量的數(shù)據(jù)等優(yōu)勢，而建立在傅立葉變換光學(xué)的基礎(chǔ)上，利用隨機相位編碼進行光學(xué)加密的研究已經(jīng)得到越來越多人的重視，其中雙相位隨機編碼技術(shù)應(yīng)用的最為廣泛。
雙隨機相位編碼信息加密技術(shù)原理[4]
加密技術(shù)原理：
工作原理是利用數(shù)學(xué)或物理手段對信息在傳輸過程中進行保護，以防止泄漏的技術(shù)，在接收端進行解密交換恢復(fù)成原信息，使竊密者即使截收到傳輸信號，也不了解信號所代表的內(nèi)容，如圖2所示。
在保密通信中，發(fā)方將明文信源加密后傳輸給收方，原來的信息叫明文，加密后的稱為密文，收方收到密文后，要把密文去密，恢復(fù)成明文。
發(fā)送方產(chǎn)生明文，利用加密鑰匙經(jīng)加密方法對明文加密，得到密文，密文有可能會被敵方截獲，在加密算法不公開或者不能被攻破的情況下，對于不合法的接收者來說，所截獲的信息僅僅是一些雜亂無章，毫無意義的符號，如果截獲者已經(jīng)知道加密算法法和加密秘鑰或者所擁有的計算機資源能給攻破發(fā)送方的加密系統(tǒng)，那么就會造成信息泄漏，當(dāng)合法接收者接收到密文后，用解密鑰匙經(jīng)解密算法解密，得到明文，信息傳輸完成。
圖2 加密信息傳輸原理圖
雙隨機相位編碼光學(xué)圖像加密實現(xiàn)方法：
用基于傅立葉光學(xué)的4f系統(tǒng)來實現(xiàn)上面的算法。按照圖3把要加密的明文圖像f(x，y)和相位掩膜M1(x，y)貼在一起放在輸入平面上，相干光照明時就完成了加密的第一個步驟;如果在4f系統(tǒng)的頻譜平面上放置相位掩膜M2(u,v)，則在輸出平面上可以得到加密圖像g(x,y)。解密時，只需要將g(x,y)放置在輸入平面上，而頻譜平面上放置M2(u,v)的匹配濾波器M3(u,v)，則在輸出平面上放置CCD相機可得到f(x,y)。
圖3 雙隨機相位編碼光學(xué)圖像加密的原理圖
實現(xiàn)過程為待加密明文圖像為實值函數(shù)f(x,y),加密后的密文圖像為g(x,y),其中Φ(x,y)和Ψ(x,y)為在[0,l]中隨機分布的白噪聲，用于加密的相位掩膜分別為：
M1(x,y)=exp[j2πφ(x,y)]
M2(u,v)=exp[j2πΨ(u,v)]
解碼相位掩膜為：
M3(u,v)=[M2(u,v)]*
M4(x,y)=exp[-j2πφ(x,y)]
x、y代表空域坐標(biāo)，u、v代表相應(yīng)的頻域坐標(biāo)。
要將明文函數(shù)f(x,y)加密為隨機的白噪聲，進行如下的運算：
首先，將f(x,y)與相位掩膜從M1(x,y)相乘得到圖像f(x,y)exp[j2πφ(x,y)]，然后再將它與相位掩膜的傅里葉變換F{M2(u,v)}進行卷積運算可以得到加密圖像：
解密時，先將g(x，y)做傅立葉變換，得到
G(u，v)=F{g(x，y)}=F{f(x,y)exp[j2πφ(x,y)]}M2(u,v)
然后將G(u,v)與M3(u,v)相乘后再做傅立葉變換可以得到f(x,y)exp[j2πφ(x,y)]，解密后的圖像即為其模的平方|f(x,y)|2，要完全恢復(fù)f(x,y)還需用M4(x,y)來消除隨機相位的影響。
雙隨機位相編碼圖像的全息記錄實現(xiàn)方案
雙隨機相位編碼圖像的全息記錄，用全息的方法記錄下加密的圖像[5]，其光路在圖3的基礎(chǔ)上要引入一束參考光，如圖4所示。
圖4雙隨機位相編碼圖像的全息記錄示意圖
設(shè)平面參考光波的場分布為：
a為參考光的傳播方向與系統(tǒng)光軸的夾角，λ為光波波長，而R0為參考光波的常數(shù)振幅。根據(jù)上面的討論，在加密時，CCD上記錄到的圖像應(yīng)為加密圖像光波與參考光波的干涉光強H(x，y)，即
解密時，當(dāng)用參考光照射圖像H(x，y)時，透過H(x，y)的波前為：
有用的只有上式中的第二項，這是加密圖像信息，對它處理才能正確解密，而這一項的傳播方向與入射光有a的夾角，這使得加密光路和解密光路稍有不同，但都采用的是4f的結(jié)構(gòu)，而解密光路的光學(xué)對準(zhǔn)的難度提高了。
光學(xué)圖像加密實驗結(jié)果
輸入為一個256x256象素點的Lena肖像(圖5(a))的明文圖像，兩個隨機相位掩模M1、M2由隨機函數(shù)產(chǎn)生，各自獨立的均勻的白光噪音，再經(jīng)過級次分別為傅立葉Lens1和Lens2的兩次分?jǐn)?shù)傅里葉變換，得到的一個編碼圖像密文(圖5(b))，如果沒有相應(yīng)的密鑰，其顯示為白噪聲，沒有任何明文信息。
利用光學(xué)密鑰對密文(加密圖像(圖5(b)))進行解密恢復(fù)出明文圖像(圖5(c));如果是竊密者獲取傳輸信號，但沒有解密鑰匙(M3=M*2)，無法還原出明文，只能獲取圖5(d)的圖像。
(a)明文(Lena肖像)(b)密文(加密后圖像)
(c)正確的解密結(jié)果 (d)無密鑰獲取圖像
圖5 光學(xué)加密圖像解密結(jié)果
結(jié) 論
光學(xué)信息加密技術(shù)通常借助密鑰的作用，對圖像進行光學(xué)變換或處理，在空域或時域完成信息的嵌入。加密算法的密鑰通常采用隨機相位模板或者光學(xué)系統(tǒng)的一些結(jié)構(gòu)參數(shù)，如入射波長、衍射距離、焦距等。光學(xué)信息加密技術(shù)對于提高信息加密的維度、多重隱藏的實時性等提供了較優(yōu)的解決方法。
參考文獻
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[3] O. Matoba, T. Nomura, B. Javidi, et al. Optical techniques for information security [J]. Proceedings of the IEEE, 2009, 97(6): 1128~1148.
[4]彭翔, 張鵬, 位恒政等. 雙隨機相位加密系統(tǒng)的已知明文攻擊[J]. 物理學(xué)報, 2006, 55(3): 1130~1136.
[5]M. R. Abuturab. Security enhancement of color image crypto-system by optical interference principle and spiral phase encoding [J]. Applied Optics, 2013, 52(8): 1555~1563.
