基于迭代相位恢復(fù)算法和相移干涉術(shù)的光學(xué)信息安全技術(shù)的研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)代通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，防偽應(yīng)用和信息安全的研究面臨日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。自從1995年Javidi和Réfrégier在4f系統(tǒng)中提出雙隨機(jī)相位板編碼技術(shù)以來(lái)，越來(lái)越多科研人員的目光投向了光學(xué)信息安全這一全新的領(lǐng)域，而且，不斷有新的光學(xué)圖像加密、隱藏或水印系統(tǒng)被提出。結(jié)合密碼學(xué)的基本原理，光學(xué)信息安全主要采用光學(xué)信息處理原理和技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的隱藏或加密。與完全依賴于密碼學(xué)、計(jì)算機(jī)或電子信息系統(tǒng)的傳統(tǒng)信息安全技術(shù)相比，光學(xué)信

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

3、其中的創(chuàng)新性工作主要包括以下幾個(gè)方面： (1)在菲涅爾域中提出了一種基于迭代多相位恢復(fù)算法的光學(xué)信息安全系統(tǒng)。該系統(tǒng)中每次迭代可以同時(shí)調(diào)整級(jí)聯(lián)在系統(tǒng)中的多個(gè)相位板的分布。多個(gè)相位板在菲涅爾域中的級(jí)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(guò)程的收斂速度。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬，驗(yàn)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(jí)聯(lián)迭代多相位恢復(fù)算法的分級(jí)圖像加

4、密系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)分級(jí)迭代算法的控制，將密級(jí)不同的多幅圖像依次隱藏到多個(gè)級(jí)聯(lián)的相位板中，從而實(shí)現(xiàn)圖像的分級(jí)加密。不同級(jí)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(shí)現(xiàn)的信息密級(jí)越高，可解密的圖像越多。而且，相位板的級(jí)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(guò)數(shù)值模擬，對(duì)該系統(tǒng)的有效性和可行性進(jìn)行了詳細(xì)分析和驗(yàn)證。該系統(tǒng)可以應(yīng)用于分級(jí)安全認(rèn)證和準(zhǔn)入檢查系統(tǒng)等領(lǐng)域。 (3)基于虛擬光

5、學(xué)的理論，提出了一種基于相移干涉和幅相調(diào)制的無(wú)串?dāng)_雙像加密與水印技術(shù)。通過(guò)幅相調(diào)制的方法虛擬構(gòu)建一個(gè)復(fù)振幅物體，結(jié)合使用菲涅爾域中的雙隨機(jī)相位編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)三步相移干涉術(shù)，可以通過(guò)加密該復(fù)振幅場(chǎng)的信息來(lái)實(shí)現(xiàn)振幅圖像和相位圖像的同時(shí)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?dāng)_影響；通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性和可行性，并詳細(xì)討論了不同權(quán)重因子時(shí)，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(shù)。利用菲涅爾域中的雙隨機(jī)相位編碼技術(shù)和相移干涉術(shù)，將待隱藏真彩色圖像對(duì)應(yīng)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(jīng)過(guò)離散余弦變換后，會(huì)產(chǎn)生三個(gè)分量對(duì)應(yīng)的DCT系數(shù)矩陣，被同一個(gè)權(quán)重因子調(diào)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(guò)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(fù)原來(lái)待隱藏的彩色圖像。通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證了該水印技術(shù)的有效性和可行性，并且針對(duì)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(shù)，它將傳統(tǒng)的相移干涉術(shù)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(qiáng)度公式之間的關(guān)系，利用衍射場(chǎng)相位分布的統(tǒng)計(jì)特性，可以對(duì)未

8、知相移值進(jìn)行盲取，然后可以利用兩步廣義相移干涉公式恢復(fù)出記錄平面及原始物面的復(fù)振幅場(chǎng)分布。通過(guò)數(shù)值模擬和光學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該算法的可行性和普適性。在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于通過(guò)空間光調(diào)制器的間接物體輸入和直接物體輸入兩種情況，分別進(jìn)行了成功的驗(yàn)證、分析和討論；經(jīng)過(guò)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)精度，恢復(fù)出分辨率板的分辨率比最近文獻(xiàn)報(bào)道的基于其他方法的結(jié)果都要高。 (6)與菲涅爾域中的雙隨機(jī)相位編碼技術(shù)結(jié)合，討論了兩步廣義相移干涉術(shù)在光學(xué)圖像加密中的應(yīng)用。該方法可