基于双光束干涉的光学信息安全技术研究

Optical information security is an interdisciplinary of studying how to apply the optical information processing technology to the field of information security, in which the security technology based on two beams interference has just emerged and drawn a lot of attentions. However, most of the relevant reports are focusing on the symmetric and asymmetric cryptosystem for the image encryption, so it comes to be an emergent problem to promote the theories and techniques based on two beams interference in both horizontal and vertical aspects. On the basis of two beams interference, on the one hand, this project will study the image encryption method based on one-way cryptosystem to identify the integrity of confidential images. Meanwhile, by using of the phase retrieval technique, a hierarchical security certification scheme will be programmed, in order to achieve the identification of the user identity and the access permission; On the other hand, this project will try to evaluate the security strength of the encryption or authentication schemes based on two beams interference and expect to reveal the security risks, the ultimate aim is to further improve the associated encryption theories and experimental techniques.The project intends, to be the first time, to expand the security technology based on the two beams interference to the field of one-way cryptosystem and identity authentication, at the same time, a comprehensive assessment of its security property from the point of view of cryptanalysis will be well considered.This study will be of great significance from both the completeness of optical information security theory and the perspective view of practical application.

光学信息安全是一门研究如何将光学信息处理技术应用于信息安全领域的交叉学科，其中，基于双光束干涉理论的信息安全技术的研究是近几年兴起的一个热点，而目前，相关的报道几乎都集中于基于对称/非对称密码体制的图像加密方法的研究，因此，如何在横向和纵向两方面同时推进相关研究的发展成为学者们亟需思考的问题。 在双光束干涉理论的基础上，一方面，本项目将研究基于单向密码体制的图像加密方法，以实现对机密图像完整性的鉴别。同时，拟结合相位恢复技术，设计出一种分级的安全认证方案，以实现对用户身份和访问权限的认证；另一方面，本项目将尝试对基于双光束干涉的加密方案进行科学的安全性评测，揭示其安全隐患，旨在进一步完善相关的密码编码理论和实验技术。本项目拟首次将基于双光束干涉的密码编码技术拓展至单向密码编码和安全认证领域，并对其安全性进行综合评估。本研究无论从光学信息安全理论的完备性还是从实际应用前景来看都具有重要意义。

在“大数据”、“物联网”以及“人工智能”等技术迅速发展的背景下，各国政府和普通居民都开始重视信息安全的问题。同时，随着针对传统加密算法（如：AES, MD5, SHA-1等）的破解成本不断下降，一些新型信息安全技术受到了越来越多的重视。相比于传统的信息安全技术，“光学信息安全技术”具有“并行的数据处理能力”和“多维的设计自由度”等天然优势。本项目研究了其中的一个较为重要的分支：基于双光束干涉的加密/认证技术，其相对简单的结构，以及相对较高的安全强度，使得其成为本领域发展速度最快、受关注度最高的技术。在项目立项之时，本人依据前期工作基础，确定了三个主要研究内容： <1>，基于双光束干涉的单向密码体制的研究；<2>，基于双光束干涉的安全认证系统的研究；<3>，基于双光束干涉的密码学分析的研究。..截至目前，项目进展基本顺利，所取得的成果主要有：<1> 探讨了光学单向加密体制以及光学非对称加密体制的可行性，主要针对目前已报道的相关技术进行了评述，指出了领域内对此问题理解上的一些偏差，并先后协同举办了一次国内和一次国际会议，邀请相关专家展开系列头脑风暴，加深了对此问题的理解；<2>，为了解决经典双光束干涉加密/认证技术中的“轮廓复现”问题，提出了两种不同思路的改进方案，通过与已报道的典型改进思路进行对比，验证了我们方法的优势；另一方面，在双光束干涉的理论框架下，引入“剪切”干涉的结构，并进一步设计了两种安全性增强的改进方案；<3> 一方面，深入研究了基于双光束干涉加密/认证技术的安全隐患（“轮廓复现”问题），从向量分解的角度给出了其产生的根源；另一方面，从密码分析学的角度，引入“非零元素个数”的约束办法，设计了一种新型的单强度相位恢复算法，成功地以唯密文攻击的方式，破解了经典双随机相位加密系统。进一步地，我们还设计了相关的光学实验，对本方案进行了验证。