基于光学扫描全息的多图像加密原理及方法研究

Multiple image encryption has found uses usually in areas such as electronic commerce and military reconnaissance, and it has become a research hotspot in the field of information security. With the increase of information, new alternatives with high safety and efficiency are urgently needed to replace the traditional algorithms as the encryption method for images. To the development of modern cryptography , encryption method based on optical means is an important direction because it has advantages of multidimension and parallelism. However, more complex system structures, relatively harsh working conditions and higher cost of devices are the main problems of the existing optical encryption schemes, which block the further applications of optical encryption technique in practice. This project proposes a new type of photoelectric hybrid image encryption system, which based on the optical scanning holography as well as the principle of phase encoding. Multiple images, arranged in a relatively large space and along in the longitudinal position, can be encrypted in a two-pupil optical system, and the encoding results can be stored in a computer directly. Cross-talks in the reconstruction of digital image may be reduced and encryption capacity may be improved by reasonable design of decoding function.The facility of principle experiment will be established, and the theoretical analysis and numerical simulation results will be verified under the condition of cascade and parallel mode. The results of this project may be a theoretical and technical background in the future for the practicability research of the optical technique used for multiple image encryption.

在电子商务、军事侦察等应用中，往往需要实现对多图像的信息加密，它已成为信息安全领域的研究热点。随着获取信息量的增大，迫切需要新的、安全高效的加密方法替代传统的计算机加密算法。光学加密方法具有多维度、并行性等诸多优点，是现代密码技术发展的一个重要方向。但许多现有光学加密方案存在着系统结构较复杂、工作条件较苛刻、器件成本较高等问题，制约着光学加密技术在实际中的进一步应用。 本项目提出一种新型光电混合型多图像加密系统，它以光学扫描全息技术为基础，结合相位编码的光学加密原理，在双瞳光学系统中实现对较大空间范围内、沿纵向位置排列的多幅图像进行加密，并将加密结果直接存贮在计算机中；通过合理设计解码函数，减少数字图像重建时的串扰影响，提高加密容量；建立原理性实验装置，在级联和并联工作模式下，验证各项理论分析及数值模拟结果，为今后多图像光学加密技术的实用性研究提供理论和技术积累。

在以图像为代表的海量信息处理方面，虽然普遍接受的观点认为，光学加密技术在多维度、并行性等方面相比于传统的电子计算机加密技术具有优势，但是工作条件严苛、缺乏灵活性等劣势也阻碍着光学加密技术真正走向实用化。在现阶段，比较切实可行的做法应当是结合光学技术和电子及计算机技术，开发出光电混合型加密系统，以便发挥各自优势。光学扫描全息技术（OSH）是一项极具特点的三维物体层析信息获取技术，能够完成多层截面信息整体记录及单层恢复重建过程，因而具有用来开发成多图像加密系统的潜力。本项目以光学扫描全息技术为基础，结合随机相位编码的光学加密原理，实现了多图像光学加密复振幅信号的数字形式整体记录，以及在给定条件下对其中任意单幅图像的数字解密恢复，为进一步开发具有实用价值的光电混合型加密系统做出了有益的尝试。.本项目从理论和实验两方面，对以双随机相位编码及光学扫描全息（DRPE-OSH）为基础的光学加密系统进行了较系统深入的研究，主要工作包括（1）阐述DRPE-OSH加密系统的密码学原理，分析其光学图像加密的仿射密码属性；从图像加密密文的统计特性、抗噪声攻击能力等方面讨论安全性问题；探讨多图像加密的加密容量与抑制串扰噪声问题，以及密文密钥量减少及信息传送抗噪能力增强等问题；（2）建立了一套DRPE-OSH多图像加密实验平台，开展了多幅光学图像加解密原理性实验；解决随机密钥函数的加载、光场复振幅信号记录稳定性、微弱信号的数字处理及提取、串扰噪声抑制与滤除方法及软硬件实现等问题。.结果表明，在光学扫描全息系统的基础上，以具有随机相位分布的光瞳函数、光学图片空间位置等参数作为密钥，可以很好地实现多幅光学图像的加密效果，加密密文具有较高的安全性；在数字处理环节采用正交编码处理、数据容器矫正等方式，可以使解密图像上所叠加的串扰噪声被有效抑制，从而提高加密容量，得到质量较好的重建图像。本项目为这种新型光电加密方案的实用化研究，打下了较好的理论和技术基础。