[发明专利]基于光学扫描的目标的光学图像加密方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学图像加密技术领域，具体指一种基于对目标进行同轴同心相位二次项偏振正交双光束扫描的光学图像加密数据收集，采用光学或数字计算解密，能够对目标实现高分辨率成像的同时进行加密传输。

背景技术

曾几何时，美国的“棱镜”计划，全球舆论鼎沸，人们反思在大数据时代的个人隐私与公共安全问题。众所周知，随着互联网和各种信息传递技术的广泛应用，信息在通信和存储中的安全性已成为信息安全领域研究的重点。其中对所传递的信息或图像进行加密是一种重要的技术手段。但传统加密技术主要依靠计算机或数字信号处理器(DSP)等电子手段来实现，这些方法受到信息处理速度和成本的限制。

应运而生的基于光学理论和方法的信息加密技术是当今信息安全领域的重要新技术领域。将光学理论和相关技术应用到信息加密领域具有很多独特优势，首先是光学信息处理具有高度并行处理信息的能力，同时光学信息处理系统本身可以整体互联，这些特点保证光学信息处理能够对大量数据进行高速处理。不仅如此，基于光学的信息加密技术具有非常大的自由度可供选择，例如光的振幅，相位，偏振，波长，光强和光学元件的参数都可以作为加密参数，还可以运用光的衍射、干涉、成像、滤波等多种光学原理实现多种变换。这些优点使基于光学理论和方法的信息加密技术获得了科研人员大量的关注，同时也极大的促进了信息加密技术的迅速发展。由于光学系统在信息处理上具有高速并行的处理能力，因此利用光学处理技术来加密图像或信息成为近年来的研究热点。

国内外很多人开展了光学图像加密技术的研究，通常采用傅立叶变换、数字全息、菲涅尔变换、夫朗和费衍射、光学相关等光信息处理方法，来达到对信息加密的目的。双随机相位编码是最经典的一种光学图像加密技术，之后发展成多种形式并被不断改进。1995年，P.Refregier等^[1]提出了双随机相位编码方法，采用4f系统来实现，把两块统计无关的随机相位掩模分别置于光学系统的输入平面和傅立叶平面，分别对原图像的空间信息和频谱信息做随机扰乱，从而白化谱密度分布，达到加密目的。Motoba等^[2]将双随机相位编码技术扩展到菲涅耳域，将两块随机相位板的位置信息作为加密过程中的第三维密钥，用光折变全息材料记录密文信息，将数据存储与光学加密相结合，扩大了加密过程的自由度，增强了加密的安全性。但是，双随机相位编码方法虽然具有很高的安全防伪力度，但随机相位掩模制备与处理的技术含量很高，一般的光学处理系统难以实现,这在很大程度上限制了它的实际应用。

Rosen等^[3]提出一种空间非相干菲涅尔数字全息的加密方法，利用液晶空间光调制器，将光场波前分为平面波和会聚球面波，利用两者相互干涉，记录三步相移数字全息图，还设计了基于非相干光的荧光三维全息显微镜。但是，采用数字全息和相移干涉法的加密系统中需要用光电探测与成像器件CCD或CMOS来记录全息图或干涉图，每幅原始图像都需要加密到两、三幅以上的干涉图，海量数据信息的处理速度慢，而且接收视场很小，所加密的图像信息是近距离的静止目标。

2003年，Poon等提出一种基于费涅尔波带片（FZP）扫描全息的三维光学密码术^[4]，它对于物体投射一个二维扫描的激光干涉形成的菲涅尔波带片光斑，形成该光斑的其中一束激光加随机相位板作为加密密钥。这样每个物体点被编码成为一个二维菲涅尔波带片并且转化为时间流信号，解码阶段把加密的时间信号转化为空间相位信号，采用空间光调制器经过衍射重构出物体图像，实现目标的解密。Sun等[5]在此基础上，提出一种简化的FZP扫描编码成像系统。但是，基于FZP扫描的光学加密技术存在一些缺点：加密过程中产生可见的菲涅尔波带片光斑扫描，容易造成信息的窃取和丢失，抗攻击性能差；采用声光调制器以及余弦拍频和正弦拍频解调实现信号处理，电子处理系统复杂，从而失去了光学加密系统处理速度的优势。

[1]P.Refregier,B.Javidi,Optical image encryption based on input plane and fourier plane random encoding,Opt.Lett.,20(7):767-769,1995.

[2]G.Situ,J.Zhang,Double random-phase encoding in Fresnel domain,Opt.Lett.,29:1584-1586,2004.