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信息安全技術已經發展為一門綜合性交叉學科，它涉及到信息論、通信技術、網絡技術、計算機科學和密碼學等多方面的知識，它主要是運用一些先進的技術如電子加密技術等對用戶信息進行保護，從而不受偶然或惡意的侵犯，對用戶造成信息的泄露。隨著信息安全技術的不斷發展，其內涵不斷延伸，由起初的信息保密發展到信息的可控性再而到現階段關于信息的管理控制、監測評估等多方面的技術。從數學原理維度，信息安全技術的研究主要分為兩個方面，其分類圖如圖1所示。

圖1 信息安全技術分類圖

與基于數學難題的密碼學相比，光學信息安全技術有著高維度加密、高并行處理速度以及能快速實現卷積和相關運算的特點[1]，因此，在信息安全技術發展方向，光學信息安全技術的技術優勢越來越明顯。在光學加密系統中，可以通過控制光的多自由度來設計系統的加密密鑰，對系統進行多維編碼，達到加密系統的高安全性的要求。

光學信息安全技術實質上屬于信息光學的范疇。光學信息安全技術是基于光學原理的數據加密和信息隱藏技術[2、3]，由于光具有天然的并行處理的優勢，近年來，光學信息安全技術發展迅猛，在各個領域的應用也非常廣泛，在光學加密系統中，光波傳輸時受到衍射限制，必然伴隨著衍射現象的發生，并且能夠提供波長、振幅、相位、偏振態、空間頻率等參數，系統可以將這些參數以及衍射距離等作為系統的加密密鑰，實現衍射變換達到信息加密的目的。與傳統的基于數學的計算機密碼學和信息安全技術相比，光學信息安全技術具有多維密鑰空間、天然的快速并行處理大容量的數據等優勢，而建立在傅立葉變換光學的基礎上，利用隨機相位編碼進行光學加密的研究已經得到越來越多人的重視，其中雙相位隨機編碼技術應用的最為廣泛。

雙隨機相位編碼信息加密技術原理[4]

加密技術原理：

工作原理是利用數學或物理手段對信息在傳輸過程中進行保護，以防止泄漏的技術，在接收端進行解密交換恢復成原信息，使竊密者即使截收到傳輸信號，也不了解信號所代表的內容，如圖2所示。

在保密通信中，發方將明文信源加密后傳輸給收方，原來的信息叫明文，加密后的稱為密文，收方收到密文后，要把密文去密，恢復成明文。

發送方產生明文，利用加密鑰匙經加密方法對明文加密，得到密文，密文有可能會被敵方截獲，在加密算法不公開或者不能被攻破的情況下，對于不合法的接收者來說，所截獲的信息僅僅是一些雜亂無章，毫無意義的符號，如果截獲者已經知道加密算法法和加密秘鑰或者所擁有的計算機資源能給攻破發送方的加密系統，那么就會造成信息泄漏，當合法接收者接收到密文后，用解密鑰匙經解密算法解密，得到明文，信息傳輸完成。

圖2 加密信息傳輸原理圖

雙隨機相位編碼光學圖像加密實現方法：

用基于傅立葉光學的4f系統來實現上面的算法。按照圖3把要加密的明文圖像f(x，y)和相位掩膜M1(x，y)貼在一起放在輸入平面上，相干光照明時就完成了加密的第一個步驟;如果在4f系統的頻譜平面上放置相位掩膜M2(u,v)，則在輸出平面上可以得到加密圖像g(x,y)。解密時，只需要將g(x,y)放置在輸入平面上，而頻譜平面上放置M2(u,v)的匹配濾波器M3(u,v)，則在輸出平面上放置CCD相機可得到f(x,y)。

圖3 雙隨機相位編碼光學圖像加密的原理圖

實現過程為待加密明文圖像為實值函數f(x,y),加密后的密文圖像為g(x,y),其中Φ(x,y)和Ψ(x,y)為在[0,l]中隨機分布的白噪聲，用于加密的相位掩膜分別為：

M1(x,y)=exp[j2πφ(x,y)]

M2(u,v)=exp[j2πΨ(u,v)]

解碼相位掩膜為：

M3(u,v)=[M2(u,v)]*

M4(x,y)=exp[-j2πφ(x,y)]

x、y代表空域坐標，u、v代表相應的頻域坐標。

要將明文函數f(x,y)加密為隨機的白噪聲，進行如下的運算：

首先，將f(x,y)與相位掩膜從M1(x,y)相乘得到圖像f(x,y)exp[j2πφ(x,y)]，然后再將它與相位掩膜的傅里葉變換F{M2(u,v)}進行卷積運算可以得到加密圖像：

解密時，先將g(x，y)做傅立葉變換，得到

G(u，v)=F{g(x，y)}=F{f(x,y)exp[j2πφ(x,y)]}M2(u,v)

然后將G(u,v)與M3(u,v)相乘后再做傅立葉變換可以得到f(x,y)exp[j2πφ(x,y)]，解密后的圖像即為其模的平方|f(x,y)|2，要完全恢復f(x,y)還需用M4(x,y)來消除隨機相位的影響。

雙隨機位相編碼圖像的全息記錄實現方案

雙隨機相位編碼圖像的全息記錄，用全息的方法記錄下加密的圖像[5]，其光路在圖3的基礎上要引入一束參考光，如圖4所示。

圖4雙隨機位相編碼圖像的全息記錄示意圖

設平面參考光波的場分布為：

a為參考光的傳播方向與系統光軸的夾角，λ為光波波長，而R0為參考光波的常數振幅。根據上面的討論，在加密時，CCD上記錄到的圖像應為加密圖像光波與參考光波的干涉光強H(x，y)，即

解密時，當用參考光照射圖像H(x，y)時，透過H(x，y)的波前為：

有用的只有上式中的第二項，這是加密圖像信息，對它處理才能正確解密，而這一項的傳播方向與入射光有a的夾角，這使得加密光路和解密光路稍有不同，但都采用的是4f的結構，而解密光路的光學對準的難度提高了。

光學圖像加密實驗結果

輸入為一個256x256象素點的Lena肖像(圖5(a))的明文圖像，兩個隨機相位掩模M1、M2由隨機函數產生，各自獨立的均勻的白光噪音，再經過級次分別為傅立葉Lens1和Lens2的兩次分數傅里葉變換，得到的一個編碼圖像密文(圖5(b))，如果沒有相應的密鑰，其顯示為白噪聲，沒有任何明文信息。

利用光學密鑰對密文(加密圖像(圖5(b)))進行解密恢復出明文圖像(圖5(c));如果是竊密者獲取傳輸信號，但沒有解密鑰匙(M3=M*2)，無法還原出明文，只能獲取圖5(d)的圖像。

(a)明文(Lena肖像)(b)密文(加密后圖像)

(c)正確的解密結果 (d)無密鑰獲取圖像

圖5 光學加密圖像解密結果

結 論

光學信息加密技術通常借助密鑰的作用，對圖像進行光學變換或處理，在空域或時域完成信息的嵌入。加密算法的密鑰通常采用隨機相位模板或者光學系統的一些結構參數，如入射波長、衍射距離、焦距等。光學信息加密技術對于提高信息加密的維度、多重隱藏的實時性等提供了較優的解決方法。

參考文獻

[1]Unnikrishnan G., Singh K.. Double random fractional Fourier domain encoding for optical security [J]. Opt. Eng.,2000, 39(11):2853~2859

[2] B. Javidi. Securing information with optical technologies [J]. Physics Today, 1997, 50(3): 27~32.

[3] O. Matoba, T. Nomura, B. Javidi, et al. Optical techniques for information security [J]. Proceedings of the IEEE, 2009, 97(6): 1128~1148.

[4]彭翔, 張鵬, 位恒政等. 雙隨機相位加密系統的已知明文攻擊[J]. 物理學報, 2006, 55(3): 1130~1136.

[5]M. R. Abuturab. Security enhancement of color image crypto-system by optical interference principle and spiral phase encoding [J]. Applied Optics, 2013, 52(8): 1555~1563.