基于迭代相位恢复算法和相移干涉术的光学信息安全技术的研究

论文摘要

近年来,随着网络和现代通信技术的迅猛发展,防伪应用和信息安全的研究面临日益严峻的挑战。自从1995年Javidi和Réfrégier在4f系统中提出双随机相位板编码技术以来,越来越多科研人员的目光投向了光学信息安全这一全新的领域,而且,不断有新的光学图像加密、隐藏或水印系统被提出。结合密码学的基本原理,光学信息安全主要采用光学信息处理原理和技术来实现信息的隐藏或加密。与完全依赖于密码学、计算机或电子信息系统的传统信息安全技术相比,光学信息安全技术有明显的优势,如它具有高速并行处理能力,大容量,多维度(振幅,相位,波长,偏振)的加密和解密能力等。本论文系统地综述了光学信息安全的国内外研究进展,介绍了一些常见光学图像加密和水印方案中涉及的具体技术,如双随机相位板编码技术、迭代相位恢复算法等。在对光学信息安全领域及其相关课题中的一些关键问题进行系统和全面分析的基础上,本论文主要目的是提出一些基于迭代多相位恢复算法、相移干涉术等信息光学理论的一系列光学信息安全方案,其中的创新性工作主要包括以下几个方面:(1)在菲涅尔域中提出了一种基于迭代多相位恢复算法的光学信息安全系统。该系统中每次迭代可以同时调整级联在系统中的多个相位板的分布。多个相位板在菲涅尔域中的级联使用,不仅增加了几何参数误差灵敏度,提高了密钥空间的自由度,而且显著增加了迭代过程的收敛速度。通过计算机模拟,验证了系统的可行性以及抗裁剪和噪声攻击的鲁棒性。(2)在菲涅尔域中提出了一种基于级联迭代多相位恢复算法的分级图像加密系统。该系统通过对分级迭代算法的控制,将密级不同的多幅图像依次隐藏到多个级联的相位板中,从而实现图像的分级加密。不同级别的用户可解密不同数目的图像。所用的相位板数目越多,可实现的信息密级越高,可解密的图像越多。而且,相位板的级联次序在每幅图像的解密中也起到非常重要的作用,可以视为辅助密钥以提高安全性。通过数值模拟,对该系统的有效性和可行性进行了详细分析和验证。该系统可以应用于分级安全认证和准入检查系统等领域。(3)基于虚拟光学的理论,提出了一种基于相移干涉和幅相调制的无串扰双像加密与水印技术。通过幅相调制的方法虚拟构建一个复振幅物体,结合使用菲涅尔域中的双随机相位编码技术和标准三步相移干涉术,可以通过加密该复振幅场的信息来实现振幅图像和相位图像的同时隐藏。两幅图像中的每一幅都可以成功解密,完全排除了另一幅图像的串扰影响;通过数值模拟验证了系统的有效性和可行性,并详细讨论了不同权重因子时,系统抗裁剪攻击和噪声攻击的鲁棒性。(4)在离散余弦变换域(DCT)中,提出了一种基于相移干涉和邻域像素相减算法的彩色图像水印技术。利用菲涅尔域中的双随机相位编码技术和相移干涉术,将待隐藏真彩色图像对应的索引数据矩阵加密成四幅干涉图:放大了的彩色宿主图像的R、G和B分量图像分别经过离散余弦变换后,会产生三个分量对应的DCT系数矩阵,被同一个权重因子调制的四幅干涉图被嵌入到某一分量的DCT系数矩阵中去。在水印提取阶段,通过先后利用离散余弦变换、邻域像素相减、四步相移再现及逆菲涅尔衍射等操作,隐藏的数据矩阵可以成功提取和解密,它与彩色映射矩阵一起,可以合成和恢复原来待隐藏的彩色图像。通过数值模拟验证了该水印技术的有效性和可行性,并且针对不同类型的攻击,分析了系统的鲁棒性。(5)提出了一种两步广义相移干涉术,它将传统的相移干涉术需要三幅以上干涉图减少到所用干涉图最少的极限情况——只需两幅干涉图(即一步相移),而且该相移量可以是(0,π)区间的任意未知值。根据两幅干涉图强度公式之间的关系,利用衍射场相位分布的统计特性,可以对未知相移值进行盲取,然后可以利用两步广义相移干涉公式恢复出记录平面及原始物面的复振幅场分布。通过数值模拟和光学实验验证了该算法的可行性和普适性。在光学实验中,对于通过空间光调制器的间接物体输入和直接物体输入两种情况,分别进行了成功的验证、分析和讨论;经过改进实验精度,恢复出分辨率板的分辨率比最近文献报道的基于其他方法的结果都要高。(6)与菲涅尔域中的双随机相位编码技术结合,讨论了两步广义相移干涉术在光学图像加密中的应用。该方法可以将待隐藏的图像信息只加密到两幅干涉图中去,大大降低了数值模拟的计算量和传输量,提高了加密系统的传输效率。针对振幅图像和纯相位图像加密系统两种情况,通过数值模拟,分别讨论和分析了各自安全系统的可行性和鲁棒性,并对二者的一些特点和优势进行了比较。以上工作自成体系,包括单幅图像和多幅图像,以及灰度图像与彩色图像,具有一定的深度和广度,已在多种国际著名刊物发表,受到了国际学术界的关注。

论文目录

• CONTENTS
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 信息安全
• 1.1.1 密码学
• 1.1.1.1 密码系统的组成
• 1.1.1.2 密码系统模型
• 1.1.1.3 密码体制分类
• 1.1.1.4 密码系统的安全性
• 1.1.1.5 密码系统的攻击
• 1.1.2 信息隐藏
• 1.1.2.1 信息隐藏模型
• 1.1.2.2 信息隐藏的分支学科
• 1.1.2.3 信息隐藏的技术特点
• 1.1.3 数字水印
• 1.1.3.1 数字水印的一般模型
• 1.1.3.2 水印的评价指标
• 1.1.3.3 数字水印的分类
• 1.2 光学信息安全的研究背景及现状
• 1.2.1 光学信息安全的国内外研究进展
• 1.2.2 常见的光学图像加密方案
• 1.2.2.1 双随机相位编码技术
• 1.2.2.2 基于分数傅立叶变换的光学图像加密技术
• 1.2.2.3 基于数字全息术的光学图像加密技术
• 1.2.2.4 基于相移干涉术的光学图像加密技术
• 1.2.2.5 基于虚拟光学的图像加密技术
• 1.2.2.6 基于光学相关器的图像加密技术
• 1.2.2.7 基于异或运算的光学图像加密技术
• 1.2.2.8 纯相位图像的光学加密技术
• 1.2.2.9 多幅图像的光学加密技术
• 1.2.2.10 基于公钥密码体制的光学加密技术
• 1.2.2.11 基于相位恢复算法的光学加密技术
• 1.2.2.12 其他的光学图像加密技术
• 1.2.3 对双随机相位编码加密系统的攻击方案
• 1.2.4 基于信息光学理论的数字水印技术的研究进展
• 1.2.4.1 基于空域的傅立叶变换全息的数字水印技术
• 1.2.4.2 基于离散余弦变换域的数字全息水印技术
• 1.2.4.3 基于离散小波变换域的自相关函数的数字水印技术
• 1.2.4.4 基于虚拟光学的三维空间数字水印技术
• 1.3 本论文的研究目的及内容
• 第二章 光波衍射、透镜的傅立叶变换、迭代相位恢复算法和相移干涉术的基本理论
• 2.1 标量衍射理论
• 2.1.1 基尔霍夫衍射公式
• 2.1.2 菲涅尔衍射
• 2.1.3 夫琅禾费衍射
• 2.2 透镜的傅立叶变换
• 2.2.1 物体紧靠透镜放置
• 2.2.2 物体放置在透镜前方
• 2.2.3 物体放置在透镜后方
• 2.3 相位恢复算法
• 2.4 相移干涉术
• 2.4.1 数字全息的基本理论
• 2.4.1.1 全息图的记录
• 2.4.1.2 全息图的再现
• 2.4.2 相移干涉术的基本理论
• 2.4.2.1 相移干涉术的基本原理
• 2.4.2.2 常用的相移算法
• 2.4.3 实现相移的方法
• 2.4.3.1 倾斜玻璃板法
• 2.4.3.2 移动光栅法
• 2.4.3.3 偏振相移法
• 2.4.3.4 压电陶瓷相移法
• 2.5 小结
• 第三章 基于菲涅尔域的迭代多相位恢复算法的光学信息安全系统
• 3.1 菲涅尔域中的迭代双相位恢复算法的一般分析
• 3.1.1 基于菲涅尔域中的迭代双相位恢复算法的光学安全系统的加密过程
• 3.1.2 收敛性准则
• 3.1.3 迭代双相位恢复算法的性能分析及解密过程
• 3.2 基于迭代多相位恢复算法的光学信息安全技术
• 3.2.1 迭代多相位恢复算法
• 3.2.2 系统的模拟验证及可行性分析
• 3.2.2.1 系统的性能分析
• 3.2.2.2 系统的鲁棒性分析
• 3.2.3 相位板数量不同时系统的性能比较
• 3.2.3.1 系统的收敛性比较
• 3.2.3.2 系统的几何参数误差灵敏度比较
• 3.2.3.3 系统中相位的量化效果比较
• 3.3 小结
• 第四章 基于级联迭代多相位恢复算法的分级图像加密系统
• 4.1 基于级联迭代菲涅尔变换的光学图像分级加密原理
• 4.1.1 基于级联迭代菲涅尔变换的光学图像二级加密
• 4.1.2 基于级联迭代菲涅尔变换的光学图像K级加密
• 4.2 基于级联迭代菲涅尔变换的图像分级加密系统的数值模拟验证
• 4.2.1 系统的收敛性及可行性验证
• 4.2.2 系统的几何参数误差灵敏度
• 4.2.3 解密时系统中相位板的级联次序分析
• 4.3 小结
• 第五章 基于相移干涉和幅相调制的无串扰双像加密与水印技术
• 5.1 基于相移干涉和幅相调制的无串扰双像加密及水印原理
• 5.1.1 幅相调制技术用于无串扰的双像加密方案
• 5.1.2 加密理论分析
• 5.1.3 解密理论分析
• 5.1.4 水印的嵌入和提取
• 5.1.5 系统的安全性分析
• 5.2 基于相移干涉和幅相调制的无串扰双像加密技术的数值模拟验证
• 5.2.1 系统的可行性验证
• 5.2.2 密钥的灵敏度分析
• 5.3 幅相调制无串扰水印系统的可行性验证和鲁棒性分析
• 5.3.1 水印系统的可行性验证
• 5.3.2 水印系统的鲁棒性分析
• 5.3.2.1 分别用复振幅场的实部、虚部和相位信息恢复隐藏信息
• 5.3.2.2 抗裁剪攻击的鲁棒性验证
• 5.3.2.3 抗噪声攻击的鲁棒性验证
• 5.4 小结
• 第六章 利用相移干涉和邻域像素相减算法基于DCT域的彩色图像水印技术
• 6.1 基于相移干涉和邻域像素相减算法的彩色图像加密与水印的原理
• 6.1.1 基于双随机相位编码和相移干涉术的彩色图像加密
• 6.1.2 DCT域中的水印嵌入
• 6.1.3 水印的提取和解密
• 6.2 水印系统的数值模拟验证
• 6.2.1 水印系统的可行性验证
• 6.2.2 水印系统的鲁棒性分析
• 6.2.2.1 分别用复振幅场的实部、虚部和相位信息恢复隐藏的彩色图像
• 6.2.2.2 水印系统抗裁剪攻击的鲁棒性验证
• 6.2.2.3 像素的量化效果对该水印系统解密的影响
• 6.2.2.4 水印系统抗噪声攻击的鲁棒性验证
• 6.3 小结
• 第七章 基于任意相移量的两步广义相移干涉术及其在光学图像加密中的应用
• 7.1 基于任意相移量的两步广义相移干涉术
• 7.1.1 基于任意相移量的两步相移干涉术的提出
• 7.1.2 两步相移干涉术中相移值的盲取
• 7.2 两步广义相移干涉术的数值模拟和光学实验验证
• 7.2.1 两步广义相移干涉术的数值模拟验证
• 7.2.2 两步广义相移干涉术的光学实验验证
• 7.2.2.1 通过空间光调制器间接输入物体时的光学实验
• 7.2.2.2 直接输入物体时的光学实验
• 7.3 两步广义相移干涉术在光学图像加密中的应用
• 7.3.1 基于两步广义相移干涉术的振幅图像加密技术
• 7.3.1.1 加密与解密原理
• 7.3.1.2 数值模拟验证
• 7.3.2 基于两步广义相移干涉术的纯相位图像加密技术
• 7.3.2.1 加密与解密理论分析
• 7.3.2.2 数值模拟验证
• 7.4 小结
• 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文、参加的科研项目及获得的奖励
• 附录: 已发表的外文论文两篇
• 学位论文评阅及答辩情况表