專利名稱：三維信息光學(xué)加密系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信息安全，特別是一種三維信息光學(xué)加密系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
信息的加密與防偽是當(dāng)今信息安全技術(shù)領(lǐng)域中的重要內(nèi)容，其中光學(xué)加密由于其具有高度并行性、高安全性、高速度和低成本等優(yōu)點而受到廣泛關(guān)注。自1995年Refregier和Javidi提出了雙隨機相位加密技術(shù)(參見在先技術(shù)I, PhilippeRefregier, Bahram Javid1.0ptical image encryption based on input plane andFourier plane radom encoding, Optics Letters, 1995, 20(7):767-769.)之后，光學(xué)加密技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展時期，出現(xiàn)了很多新的方法，例如:基于分?jǐn)?shù)傅里葉變換的加密技術(shù)(參見在先技術(shù)，2, G.Unnikrishnan, J.Joseph, K.Singh.0ptical encryptionby double-random phase encoding in the fractional Fourier domain.0pticsLetters.2000，25(12):887-889.)、基于菲涅爾變換的加密技術(shù)(參見在先技術(shù)3，OsamuMatoba, Bahram Javid1.Encrypted optical storage with waveIength-key and randomphase codes.Applied Optics.1999, 36 (5): 1054-1058.)、兩幅圖像同時加密(參見在先技術(shù) 4, Ran Tao, Yi Xin, Yue Wang.Double image encryption based on random phaseencoding in the fractional Fourier domain, Optics Express,2007, 15(24), 16067-16079),多副圖像同時加密方法(參見在先技術(shù)5, Y.Xiao, X.Zhou et al, Optical imageencryption topology, Optics Letters, 2009，34 (20)，3223-3225.)等。然而，現(xiàn)有的光學(xué)加密技術(shù)大多應(yīng)用于二維圖像的加密。隨著科技的進(jìn)步，物體的全場精密三維信息在很多應(yīng)用場合變得越來越重要，例如光學(xué)零件加工、機械零件制造、三維打印、三維顯示等。因此，大范圍三維信息的光學(xué)加密具有十分重要的意義。A.Nelleri 等(參見在先技術(shù) 6, A.Nelleri, J.Joseph, K.Singh, Digitalfresnel field encryption for three-dimensional information security.2007, Opt.Eng.46，045801)用全息技術(shù)實現(xiàn)了三維信息的光學(xué)加密。在先技術(shù)6采用的裝置如圖3所不，包括相干光源22、第一分束鏡23、第一反射鏡24、第二反射鏡25、第三反射鏡26、第二分束鏡27、CXD攝像機28和計算機29。相干光源22發(fā)出的平行相干光經(jīng)第一分束鏡23分成兩束，一束光依次經(jīng)過第一反射鏡24和第二分束鏡27反射照射到CXD攝像機28的鏡頭表面，該光束稱為參考光束，另一束光依次經(jīng)過第二反射鏡25、第三反射鏡26反射到三維物體29的表面，經(jīng)該三維物體表面散射的光通過第二分束鏡27照射到CXD攝像機28的表面，該光束稱為物光。物光光束與參考光束在CCD攝像機表面發(fā)生干涉形成加密全息圖像。計算機29控制CCD攝像機28采集加密全息圖像并存儲。在先技術(shù)6利用如圖3所示的裝置，采用菲涅爾域數(shù)字全息技術(shù)實現(xiàn)了三維信息加密，但是，因為受到全息記錄視場小的限制，在先技術(shù)6不能實現(xiàn)大范圍三維信息光學(xué)加密
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種三維信息光學(xué)加密系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)可以有效的實現(xiàn)大范圍三維信息的光學(xué)加密。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:一種三維信息光學(xué)加密系統(tǒng)，特點在于該系統(tǒng)包括一套加密裝置和一套解密裝置，其中加密裝置包括投影系統(tǒng)、參考平面、第一 CXD攝像機、計算機、第一空間光調(diào)制器、第二空間光調(diào)制器、第一透鏡、第三空間光調(diào)制器、第二透鏡、第二 CXD攝像機、第一光源、第二光源，所述的解密裝置包括第四空間光調(diào)制器、第三透鏡、第五空間光調(diào)制器、第四透鏡、第六空間光調(diào)制器、第三CCD攝像機、第三光源和第四光源，所述的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡相同，第一光源、第二光源、第三光源和第四光源相同，所述的投影系統(tǒng)、參考平面、第一 CCD攝像機組成結(jié)構(gòu)光投影編碼系統(tǒng)，參考平面在投影系統(tǒng)的投影范圍內(nèi)并在第一 CCD攝像機的視場內(nèi)，投影系統(tǒng)的光軸和第一 CXD攝像機光軸的夾角在20°和60°之間，所述的第一空間光調(diào)制器、第二空間光調(diào)制器、第一透鏡、第三空間光調(diào)制器、第二透鏡和第二 CXD攝像機組成加密4f系統(tǒng)，第一空間光調(diào)制器為該4f系統(tǒng)的輸入端，第二 CCD攝像機的表面為該4f系統(tǒng)的輸出端，所述的投影系統(tǒng)在計算機控制下產(chǎn)生結(jié)構(gòu)條紋并投影到參考平面，參考平面上的條紋稱為參考條紋，該條紋經(jīng)放置于所述的參考平面上的待加密物體表面調(diào)制產(chǎn)生變形稱為變形條紋，第一 CCD攝像機在計算機(4)的控制下采集所述的變形條紋和參考條紋并存儲于計算機中，帶有數(shù)據(jù)處理程序的計算機對所述的變形條紋和參考條紋進(jìn)行強度歸一化，并分別以歸一化后的變形條紋和參考條紋為相位和幅值組成一個二維復(fù)信號稱為編碼二維信號，計算機將編碼二維信號輸入第一空間光調(diào)制器、第二空間光調(diào)制器和第三空間光調(diào)制器，在計算機的控制下產(chǎn)生兩個相互獨立的隨機數(shù)矩陣稱為隨機相位板；第一光源以平行相干光垂直照明加密4f系統(tǒng)的輸入端，在輸出端與第二光源發(fā)出的平行相干光發(fā)生干涉，第二 CCD攝像機在計算機的控制下采集并存儲密文圖像。所述的第四空間光調(diào)制器、第三透鏡、第五空間光調(diào)制器、第四透鏡、第三C⑶攝像機組成解密4f系統(tǒng)，第四空間光調(diào)制器為該4f系統(tǒng)的輸入端，第三CXD攝像機的表面為該4f系統(tǒng)的輸出端，第六空間光調(diào)制器貼近第四透鏡的后表面，計算機分別將密文圖像、加密用兩個隨機相位板的共軛為密鑰輸入第四空間光調(diào)制器、第五空間光調(diào)制器和第六空間光調(diào)制器，第三光源以平行相干光照明解密4f系統(tǒng)的輸入端，在解密4f系統(tǒng)的輸出端與第四光源發(fā)出的平行相干光發(fā)生干涉，第三CCD攝像機采集解密信號并將其存儲于計算機
(4)。利用上述三維信息光學(xué)加密系統(tǒng)實現(xiàn)三維信息加密的方法包含加密和解密兩個過程:(一)三維信息加密過程包括如下步驟: ①結(jié)構(gòu)光投影編碼三維信息:計算機產(chǎn)生正弦結(jié)構(gòu)條紋并控制投影系統(tǒng)投影正弦結(jié)構(gòu)條紋到參考平面的表面形成參考條紋圖像，第一 CCD攝像機采集到的參考條紋圖像為:g0 (x, y) = a (x, y) +b (χ, y) cos [2 τι f0x+ Φ0(χ, y)],其中，a(x, y)為背景光，其中，b(x, y)為調(diào)制度，
其中，fQ為空間頻率，其中，(K(X，y)為參考平面的調(diào)制相位，將待加密物體放置于參考平面上，第一 CXD攝像機拍攝到的變形條紋為:g (X，y) = a (x, y) +b (x, y) cos [2 π f0x+ φ (χ, y)]，其中，φ (χ, y)為待加密物體表面的調(diào)制相位，待加密物體的三維高度信息已經(jīng)加密至第一 CXD攝像機拍攝到的參考條紋和變形條紋的相位信息中。待加密物體三維高度信息和變形條紋圖與參考條紋圖調(diào)制相位差之間的關(guān)系為:
權(quán)利要求
1.一種三維信息光學(xué)加密系統(tǒng)，包括一套加密裝置和一套解密裝置，其特征在于: 所述的加密裝置包括投影系統(tǒng)(I)、參考平面(2)、第一 CXD攝像機(3)、計算機(4)、第一空間光調(diào)制器(5)、第二空間光調(diào)制器(6)、第一透鏡(7)、第三空間光調(diào)制器(8)、第二透鏡(9)、第二 CXD攝像機(10)、第一光源(11)和第二光源(12);所述的解密裝置包括、第三透鏡(14)、第五空間光調(diào)制器(15)、第四透鏡(16)、第六空間光調(diào)制器(17)、第三CXD攝像機(18)、第三光源(19)和第四光源(20)； 所述的第一透鏡(7)、第二透鏡(9)、第三透鏡(14)和第四透鏡(16)結(jié)構(gòu)相同，所述的第一光源(11)、第二光源(12)、第三光源(19)和第四光源(20)結(jié)構(gòu)相同，所述的投影系統(tǒng)(I)、第一 CXD攝像機(3)、第一空間光調(diào)制器(5)、第二空間光調(diào)制器(6)、第三空間光調(diào)制器(8)、第二 CXD攝像機(10)、第四空間光調(diào)制器(13)、第五空間光調(diào)制器(15)、第六空間光調(diào)制器(17)和第三CXD 攝像機(18)與所述的計算機(4)相連； 所述的參考平面(2)在投影系統(tǒng)(I)的投影范圍內(nèi)并在第一 CCD攝像機(3)的視場內(nèi)，所述的投影系統(tǒng)(I)的光軸和第一 CXD攝像機(3)光軸的夾角在20° 60°之間，所述的投影系統(tǒng)(I)、參考平面(2)和第一 CXD攝像機(3)組成結(jié)構(gòu)光投影編碼系統(tǒng)，所述的第一空間光調(diào)制器(5)、第二空間光調(diào)制器(6)、第一透鏡(7)、第三空間光調(diào)制器(8)、第二透鏡(9)和第二 CXD攝像機(10)依次組成加密4f系統(tǒng)，稱為雙隨機相位編碼系統(tǒng)，第一空間光調(diào)制器(5)為該4f系統(tǒng)的輸入端，第二 CXD攝像機(10)的表面為該4f系統(tǒng)的輸出端，所述的投影系統(tǒng)(I)在所述的計算機(4)控制下輸出結(jié)構(gòu)條紋并投影到參考平面(2)上，參考平面上的條紋稱為參考條紋，該條紋經(jīng)放置于所述的參考平面(2)上的待加密物體的表面調(diào)制產(chǎn)生變形稱為變形條紋，第一 CCD攝像機(3)在計算機(4)的控制下采集所述的變形條紋和參考條紋并存儲于計算機(4)中，該計算機(4)對所述的變形條紋和參考條紋進(jìn)行強度歸一化，并分別以歸一化后的變形條紋和參考條紋為相位和幅值組成一個二維復(fù)信號，稱為編碼二維信號，該計算機(4)將所述的編碼二維信號輸入所述的第一空間光調(diào)制器(5)，所述的第二空間光調(diào)制器(6)和第三空間光調(diào)制器(8)在計算機(4)的控制下產(chǎn)生兩個相互獨立的隨機數(shù)矩陣稱為隨機相位板；所述的第一光源(11)以平行相干光垂直照明所述的加密4f系統(tǒng)的輸入端，在輸出端與第二光源(13)發(fā)出的平行相干光發(fā)生干涉，第二CXD攝像機(10)在計算機(4)的控制下采集并存儲密文圖像； 依次的第四空間光調(diào)制器(13)、第三透鏡(14)、第五空間光調(diào)制器(15)、第四透鏡(16)、第六空間光調(diào)制器(17)和第三CXD攝像機(18)組成解密4f系統(tǒng)，第四空間光調(diào)制器(13 )為該4f系統(tǒng)的輸入端，第三CXD攝像機(18 )的表面為該4f系統(tǒng)的輸出端，第六空間光調(diào)制器(17)貼近第四透鏡(16)的后表面，所述的計算機(4)分別將密文圖像、加密用兩個隨機相位板的共軛為密鑰輸入所述的第四空間光調(diào)制器(13)、第五空間光調(diào)制器(15)和第六空間光調(diào)制器(17)，第三光源(19)以平行相干光照明所述的解密4f系統(tǒng)的輸入端，在解密4f系統(tǒng)的輸出端與第四光源(20)發(fā)出的平行相干光發(fā)生干涉，第三CXD攝像機(18)采集解密信號并將其存儲于計算機(4 )。
2.用權(quán)利要求1所述的三維信息光學(xué)加密系統(tǒng)實現(xiàn)三維信息加密和解密的方法，特征在于包含加密和解密兩個過程: (一)三維信息加密過程包括如下步驟: ①結(jié)構(gòu)光投影編碼三維信息:所述的計算機(4)產(chǎn)生正弦結(jié)構(gòu)條紋并控制投影系統(tǒng)(I)將正弦結(jié)構(gòu)條紋投影到參考平面(2)的表面形成參考條紋圖像，第一 CCD攝像機(3)采集所述的參考條紋圖像并輸入所述的計算機(4)，該參考條紋圖像為:
全文摘要
一種三維信息光學(xué)加密系統(tǒng)和方法，所述系統(tǒng)一套加密裝置和一套解密裝置，所述方法首先采用結(jié)構(gòu)光投影編碼系統(tǒng)將待加密物體的三維信息編碼至二維光學(xué)條紋圖像中，然后通過雙隨機相位編碼系統(tǒng)增強二維光學(xué)條紋圖像的安全性。本發(fā)明可以有效實現(xiàn)物體的三維信息加密，并可以擴大加密物體的大小范圍。
文檔編號G06T9/00GK103093492SQ201310021379
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月21日
發(fā)明者李思坤, 王向朝, 步揚, 劉曉雷 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所