基于迭代相位恢復算法和相移干涉術的光學信息安全技術的研究.pdf

1、近年來，隨著網絡和現(xiàn)代通信技術的迅猛發(fā)展，防偽應用和信息安全的研究面臨日益嚴峻的挑戰(zhàn)。自從1995年Javidi和Réfrégier在4f系統(tǒng)中提出雙隨機相位板編碼技術以來，越來越多科研人員的目光投向了光學信息安全這一全新的領域，而且，不斷有新的光學圖像加密、隱藏或水印系統(tǒng)被提出。結合密碼學的基本原理，光學信息安全主要采用光學信息處理原理和技術來實現(xiàn)信息的隱藏或加密。與完全依賴于密碼學、計算機或電子信息系統(tǒng)的傳統(tǒng)信息安全技術相比，光學信

2、息安全技術有明顯的優(yōu)勢，如它具有高速并行處理能力，大容量，多維度(振幅，相位，波長，偏振)的加密和解密能力等。 本論文系統(tǒng)地綜述了光學信息安全的國內外研究進展，介紹了一些常見光學圖像加密和水印方案中涉及的具體技術，如雙隨機相位板編碼技術、迭代相位恢復算法等。在對光學信息安全領域及其相關課題中的一些關鍵問題進行系統(tǒng)和全面分析的基礎上，本論文主要目的是提出一些基于迭代多相位恢復算法、相移干涉術等信息光學理論的一系列光學信息安全方案，

3、其中的創(chuàng)新性工作主要包括以下幾個方面： (1)在菲涅爾域中提出了一種基于迭代多相位恢復算法的光學信息安全系統(tǒng)。該系統(tǒng)中每次迭代可以同時調整級聯(lián)在系統(tǒng)中的多個相位板的分布。多個相位板在菲涅爾域中的級聯(lián)使用，不僅增加了幾何參數(shù)誤差靈敏度，提高了密鑰空間的自由度，而且顯著增加了迭代過程的收斂速度。通過計算機模擬，驗證了系統(tǒng)的可行性以及抗裁剪和噪聲攻擊的魯棒性。 (2)在菲涅爾域中提出了一種基于級聯(lián)迭代多相位恢復算法的分級圖像加

4、密系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對分級迭代算法的控制，將密級不同的多幅圖像依次隱藏到多個級聯(lián)的相位板中，從而實現(xiàn)圖像的分級加密。不同級別的用戶可解密不同數(shù)目的圖像。所用的相位板數(shù)目越多，可實現(xiàn)的信息密級越高，可解密的圖像越多。而且，相位板的級聯(lián)次序在每幅圖像的解密中也起到非常重要的作用，可以視為輔助密鑰以提高安全性。通過數(shù)值模擬，對該系統(tǒng)的有效性和可行性進行了詳細分析和驗證。該系統(tǒng)可以應用于分級安全認證和準入檢查系統(tǒng)等領域。 (3)基于虛擬光

5、學的理論，提出了一種基于相移干涉和幅相調制的無串擾雙像加密與水印技術。通過幅相調制的方法虛擬構建一個復振幅物體，結合使用菲涅爾域中的雙隨機相位編碼技術和標準三步相移干涉術，可以通過加密該復振幅場的信息來實現(xiàn)振幅圖像和相位圖像的同時隱藏。兩幅圖像中的每一幅都可以成功解密，完全排除了另一幅圖像的串擾影響；通過數(shù)值模擬驗證了系統(tǒng)的有效性和可行性，并詳細討論了不同權重因子時，系統(tǒng)抗裁剪攻擊和噪聲攻擊的魯棒性。 (4)在離散余弦變換域(D

6、CT)中，提出了一種基于相移干涉和鄰域像素相減算法的彩色圖像水印技術。利用菲涅爾域中的雙隨機相位編碼技術和相移干涉術，將待隱藏真彩色圖像對應的索引數(shù)據(jù)矩陣加密成四幅干涉圖；放大了的彩色宿主圖像的R、G和B分量圖像分別經過離散余弦變換后，會產生三個分量對應的DCT系數(shù)矩陣，被同一個權重因子調制的四幅干涉圖被嵌入到某一分量的DCT系數(shù)矩陣中去。在水印提取階段，通過先后利用離散余弦變換、鄰域像素相減、四步相移再現(xiàn)及逆菲涅爾衍射等操作，隱藏的數(shù)

7、據(jù)矩陣可以成功提取和解密，它與彩色映射矩陣一起，可以合成和恢復原來待隱藏的彩色圖像。通過數(shù)值模擬驗證了該水印技術的有效性和可行性，并且針對不同類型的攻擊，分析了系統(tǒng)的魯棒性。 (5)提出了一種兩步廣義相移干涉術，它將傳統(tǒng)的相移干涉術需要三幅以上干涉圖減少到所用干涉圖最少的極限情況--只需兩幅干涉圖(即一步相移)，而且該相移量可以是(0，π)區(qū)間的任意未知值。根據(jù)兩幅干涉圖強度公式之間的關系，利用衍射場相位分布的統(tǒng)計特性，可以對未

8、知相移值進行盲取，然后可以利用兩步廣義相移干涉公式恢復出記錄平面及原始物面的復振幅場分布。通過數(shù)值模擬和光學實驗驗證了該算法的可行性和普適性。在光學實驗中，對于通過空間光調制器的間接物體輸入和直接物體輸入兩種情況，分別進行了成功的驗證、分析和討論；經過改進實驗精度，恢復出分辨率板的分辨率比最近文獻報道的基于其他方法的結果都要高。 (6)與菲涅爾域中的雙隨機相位編碼技術結合，討論了兩步廣義相移干涉術在光學圖像加密中的應用。該方法可