基于信息光学的多维数据加密及数字水印

论文摘要

基于光学理论与方法的数据加密和信息隐藏技术是近年来在国际上开始起步发展的新一代信息安全理论与技术。作为国家自然科学基金项目:“基于虚拟光学框架的多维信息隐藏及密码学”(项目号:60472107)、中国科学院模式识别国家重点实验室开放课题基金项目:“基于信息光学的多维数据隐藏理论与技术”、广东省自然科学基金项目:“基于虚拟光学框架的多维信息密码学研究”(项目号:04300862)和深圳市科技计划项目:“基于虚拟光学的信息安全技术”(项目号:200426)的重要研究内容之一,本论文对基于信息光学的多维数据加密及数字水印中的若干关键技术进行了系统的研究,主要工作包括以下几个方面:1.阐述了“虚拟光学”的概念,深入研究了虚拟成像(VOI)和虚拟类全息(VOH)两种基于虚拟光学模型构建的多维数据加密算法的设计原理、实现技术、密码系统多维密钥设计技术。2.提出利用并行DSP实现基于虚拟光学的多维数据加密算法的电子学硬件实现方法。建立的基于TMS320C6701并行DSP芯片的高密级数据加密系统,利用电子手段(并行硬件、并行算法)模拟光学数据处理的过程,有效的将电子数据加密处理器和光学数据加密处理器各自的主要优点相结合,完成了虚拟光学多维数据加密算法的高速、准并行编码。3.提出基于虚拟光学的多维数据加密算法的安全性分析及综合评估方法。以VOI和VOH两种基于虚拟光学概念与方法构造的新型对称分组密码算法为例,首次对光学数据加密系统的安全性进行了详细的密码分析学研究,包括复杂度、密钥长度、密钥与分组、混淆和扩散性能、雪崩效应、非线性性、算法的硬件实现特性、弱密钥、陷门等关键问题。提出的分析方法,对于其它基于光学信息处理技术构建的密码系统也同样具有较大的参考意义。4.首次从完整的信息安全系统的角度来考虑光学信息安全问题,将基于虚拟光学的多维数据加密和解密技术与公钥密码学的方法相结合,提出了一种混合密钥加密系统,并加入了认证技术从而构建了一个网络环境下的虚拟光学信息安全系统模型,为光学信息安全走向实用化奠定了必要的基础。5.将虚拟光学的概念与方法扩展到在三维空间研究数字水印的嵌入与提取问题,提出了一种基于虚拟光学的三维空间数字水印算法。该水印算法具有清晰的物理背景以及良好的可证明性、不可感知性、安全性和鲁棒性。为了进一步提高安全性,对水印算法做了改进,提出了一种结合随机模板编码的高安全强度三维空间数字水印算法。6.运用密码分析学的方法对双随机相位加密系统进行了安全性分析,并提出了

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 信息安全
• 1.1.1 密码学
• 1.1.1.1 加密通信的一般模型
• 1.1.1.2 密码体制分类
• 1.1.2 信息隐藏
• 1.2 光学信息安全技术国内外研究现状及分析
• 1.2.1 光学生物特征识别
• 1.2.2 基于光学理论与方法的数据加密
• 1.2.3 基于光学理论与方法的信息隐藏
• 1.2.4 国际学术组织的活动
• 1.2.5 国内的研究进展情况
• 1.3 本论文研究课题的目的和意义
• 1.4 本论文研究课题的背景及主要内容
• 1.5 论文主要创新性工作
• 第二章 光波的衍射及透镜的傅立叶变换分析
• 2.1 标量衍射理论
• 2.1.1 基尔霍夫衍射理论
• 2.1.2 菲涅尔衍射与夫朗和费衍射
• 2.1.2.1 初步的近似处理
• 2.1.2.2 菲涅尔衍射
• 2.1.2.3 夫朗和费衍射
• 2.2 复振幅分布的角谱
• 2.3 平面波角谱的传播
• 2.4 透镜的相位变换作用
• 2.5 透镜的傅立叶变换性质
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于虚拟光学框架的多维数据加密技术实现研究
• 3.1 虚拟光学
• 3.2 基于虚拟光学框架的新型分组密码算法
• 3.2.1 基于虚拟成像的多维数据加密技术
• 3.2.2 基于虚拟类全息的多维数据加密技术
• 3.3 VOI 和VOH 加密系统的软件实现
• 3.4 虚拟光学多维数据加密算法的电子学硬件实现
• 3.4.1 基于并行DSP 的电子学硬件系统结构
• 3.4.2 TMS320C6701 并行数字信号处理器
• 3.4.3 虚拟光学多维数据加密算法的DSP 实现详细流程
• 3.4.4 核心加/解密算法的优化
• 3.4.5 实验结果及讨论
• 3.5 本章小结
• 第四章 虚拟光学对称分组密码算法的安全性分析及综合评估
• 4.1 引言
• 4.2 VOI 和VOH 密码算法的结构描述
• 4.3 安全性分析
• 4.3.1 密码算法强度
• 4.3.1.1 VOI 密码算法的复杂性分析
• 4.3.1.2 VOH 密码算法的复杂性分析
• 4.3.2 密钥长度与密钥空间
• 4.3.3 从对称密码的两个基本设计原则“混淆”、“扩散”进行分析
• 4.3.3.1 VOI 密码算法的分析
• 4.3.3.2 VOH 密码算法的分析
• 4.3.4 关于密码算法陷门的讨论
• 4.3.5 虚拟光学密码系统的改进模型
• 4.4 硬件实现特性分析
• 4.5 对虚拟光学密码算法的攻击分析
• 4.5.1 唯密文攻击
• 4.5.2 已知明文攻击和选择明文攻击
• 4.5.3 弱密钥与半弱密钥攻击
• 4.6 虚拟光学对称分组密码算法的综合评估
• 4.7 本章小结
• 第五章 基于公钥的虚拟光学信息安全系统
• 5.1 基于虚拟光学的混合密码系统
• 5.1.1 对称密钥密码系统
• 5.1.2 非对称密钥密码系统
• 5.1.3 虚拟光学混合密钥密码系统
• 5.2 基于公钥概念的虚拟光学信息安全系统模型
• 5.2.1 公钥基础设施PKI 与数字证书技术
• 5.2.2 散列函数与数字签名技术
• 5.2.2.1 散列函数
• 5.2.2.2 数字签名方案描述
• 5.2.2.3 基于公钥密码算法的数字签名方法
• 5.2.3 基于公钥概念的虚拟光学信息安全系统构架
• 5.2.4 CA 签发接收方的数字证书
• 5.2.5 发送方通过验证证书来验证接收方的公钥
• 5.3 密钥管理
• 5.3.1 密钥生成问题
• 5.3.2 密钥交换问题
• 5.3.3 密钥分配问题
• 5.3.4 会话密钥的生命周期
• 5.4 系统安全性分析
• 5.4.1 唯密文攻击
• 5.4.2 已知明文攻击和选择明文攻击
• 5.4.3 篡改证书
• 5.4.4 仿冒攻击
• 5.5 本章小结
• 第六章 基于虚拟光学的三维空间数字水印技术研究
• 6.1 引言
• 6.2 相关工作
• 6.2.1 基于傅立叶变换全息术的数字水印技术
• 6.2.2 基于离散余弦变换域的数字全息水印技术
• 6.2.3 结合相移数字全息术与双随机相位编码方法的数字水印技术
• 6.3 基于虚拟光学的三维空间数字水印算法
• 6.3.1 虚拟光学三维空间数字水印系统的理论模型
• 6.3.2 实验结果及分析
• 6.3.2.1 水印的嵌入与提取
• 6.3.2.2 水印算法鲁棒性测试
• 6.3.2.3 ?z 取不同值时的水印嵌入效果
• 6.3.2.4 水印算法安全性测试结果
• 6.3.3 水印算法应用于数字音频信号
• 6.4 水印算法的改进
• 6.4.1 改进后水印系统的理论模型
• 6.4.2 改进算法的实验结果及分析
• 6.4.2.1 水印的嵌入与提取
• 6.4.2.2 水印算法鲁棒性测试
• 6.4.2.3 Cross-talk 现象的抑制
• 6.4.2.4 改进算法的安全性测试及分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 双随机相位加密系统的已知明文攻击
• 7.1 引言
• 7.2 背景技术
• 7.2.1 密码分析学与常见的密码攻击方法
• 7.2.1.1 Kerckhoffs 假设
• 7.2.1.2 典型的密码攻击方法
• 7.2.1.3 密码算法的安全性
• 7.2.2 相位恢复技术
• 7.3 相关工作
• 7.3.1 双随机相位加密系统
• 7.3.2 A. Carnicer 等人的“选择密文攻击”方法
• 7.4 双随机相位加密系统的已知明文攻击
• 7.5 实验结果及分析
• 7.6 几点讨论
• 7.6.1 明文为复函数时的情况
• 7.6.2 攻击的光学实现方法（1）
• 7.6.3 攻击的光学实现方法（2）
• 7.6.4 关于“稳定的安全性”的讨论
• 7.7 本章小结
• 第八章 全文总结及工作展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和参加科研的情况
• 致谢
• 附录
• 结题证明