無需相位探測(cè)的雙隨機(jī)相位光學(xué)加密系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無相位探測(cè)的雙隨機(jī)相位光學(xué)加密方法。它在待加密的圖像和探測(cè)器之間插入兩個(gè)雙隨機(jī)相位版。加密時(shí)，用激光照射待加密圖像，攜帶明文的激光光波受到兩個(gè)隨機(jī)相位板的調(diào)制，用光電探測(cè)器記錄下被調(diào)制光波的強(qiáng)度圖樣。該強(qiáng)度圖樣即為明文所對(duì)應(yīng)的密文。解密時(shí)，用本發(fā)明所提出的解密算法在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行解密，即可獲得高質(zhì)量的解密圖像。本發(fā)明整個(gè)加密過程中，無需進(jìn)行復(fù)雜的干涉記錄過程來進(jìn)行相位探測(cè)，僅需要記錄一幅強(qiáng)度圖樣就可完成加密過程。本發(fā)明與現(xiàn)存光學(xué)加密系統(tǒng)相比，有系統(tǒng)簡(jiǎn)單，記錄數(shù)據(jù)量少，安全性強(qiáng)，成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)。此外，本發(fā)明可移植性好，同時(shí)適用于傅里葉光學(xué)加密，菲涅爾域光學(xué)加密。
【專利說明】無需相位探測(cè)的雙隨機(jī)相位光學(xué)加密系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種光學(xué)加密技術(shù)，具體涉及一種無需相位探測(cè)的雙隨機(jī)相位光學(xué)加 醬系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 1995年Re化egier和化vidi提出了雙隨機(jī)相位光學(xué)加密系統(tǒng)預(yù)示著光學(xué)加 密技術(shù)的誕生。參見的pt.Lett.20(7)，767-769(1995))。該加密方法首次將光引入 信息加密當(dāng)中，由于光有著頻率高，信息容量大、并行性等諸多優(yōu)點(diǎn)，光學(xué)加密引起了世 界各國研究者的廣泛興趣。然而和任何加密技術(shù)一樣，只有抗各種用密碼分析攻擊的 加密方法才能稱之為安全的加密方法。目前針對(duì)雙隨機(jī)相位技術(shù)，各種攻擊方法相繼 被提出，如唯密文攻擊、已知明文攻擊、選擇明文攻擊、選擇密文攻擊策略。參見（化t. Lett. 31巧），1044-1046 (2006) ;0pt. Lett. 30 (13)，1644-1646 (2005) ;0pt. Lett. 31 (22)， 3261-3263(2006) ;Acta Wiysica Sinica56, 2629-2636 (2007) (In Chinese))。該些方法的 提出顯示了雙隨機(jī)相位有很大安全隱患。
[0003] 為了解決雙隨機(jī)相位系統(tǒng)的安全性問題，各種改進(jìn)型的光學(xué)加密系統(tǒng)相繼被提 出。目前關(guān)于改進(jìn)型的雙隨機(jī)相位光學(xué)加密系統(tǒng)，大致可分為兩類；一類是基于干涉的 改進(jìn)型雙隨機(jī)相位系統(tǒng)，如菲涅爾域的雙隨機(jī)相位加密系統(tǒng)，分?jǐn)?shù)傅里葉域的雙隨機(jī)加 密系統(tǒng)。一類是基于相干衍射成像的改進(jìn)型加密系統(tǒng)，如結(jié)構(gòu)光照明加密系統(tǒng)，W及基 于疊層成像的加密系統(tǒng)。參見（Opt. Commun. 285, 2044-2047 (2012) ;0pt. Lett. 38 (9)， 1425-1427 (2013))基于干涉的改進(jìn)型雙隨機(jī)相位加密系統(tǒng)與傳統(tǒng)的加密系統(tǒng)一樣，都需要 復(fù)雜的干涉裝置。近年研究表明，改進(jìn)型的雙隨機(jī)相位系統(tǒng)也存在較大的安全漏洞?；?相干衍射成像的加密系統(tǒng)，安全性較高，但是一般一幅明文圖像對(duì)應(yīng)多個(gè)衍射密文圖像，所 W有通訊過程中密文傳輸量太大的缺點(diǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有光學(xué)加密系統(tǒng)的不足，該發(fā)明與目前基于干涉的雙 隨機(jī)相位加密系統(tǒng)和基于相干衍射成像的雙隨機(jī)加密系統(tǒng)相比，結(jié)果最為簡(jiǎn)單。且融合了 W上兩種方法的優(yōu)勢(shì)，不需要相位探測(cè)，僅需要一幅衍射密文圖樣就可完成加密和解密過 程。
[0005] 本發(fā)明的目的可通過W下技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)：
[0006] 加密系統(tǒng)主要是基于4f系統(tǒng)之上的。4f系統(tǒng)是由兩個(gè)焦距完全相同的透鏡組成。 明文放置在4f系統(tǒng)的輸入面。兩個(gè)隨機(jī)秘鑰版Ml和M 2分別放置在4f系統(tǒng)的輸入面和頻 譜面。探測(cè)器放置在輸出面上。加密時(shí)，用激光照射明文，攜帶明文信息的激光束經(jīng)過兩個(gè) 隨機(jī)秘鑰版Ml和M 2的調(diào)制，衍射到達(dá)輸出面并用CCD直接記錄下來。CCD探測(cè)到的衍射圖 樣即為相應(yīng)的密文。
[0007] 本發(fā)明解密算法可用如下相位恢復(fù)算法實(shí)現(xiàn)：
[000引 （1)賦初值，猜測(cè)明文圖像為一個(gè)ones矩陣fi。
[0009] (2)計(jì)算輸出面上的復(fù)振幅分布為：
[0010] Dj= IFT {FT {f jGxp (jMi)} ? exp (jMg)}
[0011] 做用探測(cè)器拍攝到的密文圖像替換計(jì)算得到的輸出面的復(fù)振幅Di:
[001 引 C,= ?/7.(|￡),|/a)
[0013] (4)將更新的輸出面復(fù)振幅分布。逆衍射到輸入面：
[0014] ￥ i = IFT {FT {C J ? exp (-jMa)}
[0015] 妨令
[0016] fi，i= I ￥ i
[0017] (6)重復(fù)步驟（2)-(5)直到Di和li的相關(guān)系數(shù)達(dá)到闊值。迭代得到的fw即為輸 出圖像
[001引本發(fā)明與現(xiàn)有的發(fā)明相比存在W下優(yōu)點(diǎn)：
[0019] (1)本發(fā)明的加密方法，不需要干涉裝置。成本低，可靠性高。
[0020] (2)本發(fā)明一幅明文僅僅對(duì)應(yīng)一幅實(shí)值衍射密文圖樣。需要傳輸?shù)拿芪臄?shù)據(jù)量低。
[0021] (3)本發(fā)明安全性高。抗目前比較主流的攻擊方法，如相位恢復(fù)攻擊方法W及沖擊 相應(yīng)函數(shù)的攻擊方法。
[0022] (4)本發(fā)明不需要任何先驗(yàn)信息來保證相位恢復(fù)算法收斂。
[0023] 發(fā)明所公開不需相位探測(cè)雙隨機(jī)相位光學(xué)加密系統(tǒng)，可適用于安全性要求高，力口 密速度要求高的加密應(yīng)用場(chǎng)合。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 圖la是本發(fā)明的傅里葉域?yàn)閷?shí)例的無需相位探測(cè)的雙隨機(jī)相位光學(xué)加密結(jié)構(gòu) 圖。
[0025] 圖化是本發(fā)明的菲涅爾域?yàn)閷?shí)例的無需相位探測(cè)的雙隨機(jī)相位光學(xué)加密結(jié)構(gòu) 圖。
[0026] 圖2a是傅里葉域?qū)嵗袛?shù)值模擬實(shí)驗(yàn)所用的待加密明文。
[0027] 圖化是加密用的相位秘鑰版1，秘鑰版的相位分布為[0,2 n ]。
[0028] 圖2c是相位秘鑰版2,相位分布為[0, 2 n ]。
[0029] 圖2d為加密得到的密文圖像。
[0030] 圖2e為解密圖像。
[0031] 圖3a是傅里葉域?qū)嵗袛?shù)值模擬實(shí)驗(yàn)所用的待加密明文。
[0032] 圖3b是加密用的相位秘鑰版1，秘鑰版的相位分布為[0, 2 31 ]。
[0033] 圖3c是相位秘鑰版2,相位分布為[0, 2 31 ]。
[0034] 圖3d為加密得到的密文圖像。
[003引 圖3e為解密圖像。
[0036] 圖4a是傅里葉域?qū)嵗袛?shù)值模擬實(shí)驗(yàn)中相位恢復(fù)攻擊方法的攻擊結(jié)果。
[0037] 圖4b是傅里葉域?qū)嵗袛?shù)值模擬實(shí)驗(yàn)中利用沖擊響應(yīng)函數(shù)方法的攻擊結(jié)果。
[003引圖5a是菲涅爾域?qū)嵗袛?shù)值模擬實(shí)驗(yàn)中利用相位恢復(fù)攻擊方法的攻擊結(jié)果。
[0039] 圖化是菲涅爾域?qū)嵗袛?shù)值模擬實(shí)驗(yàn)中利用沖擊響應(yīng)函數(shù)方法的攻擊結(jié)果。
[0040] 圖6a是密文被0. 01隨機(jī)噪聲污染的傅里葉域?qū)嵗袛?shù)值模擬實(shí)驗(yàn)的解密結(jié)果。
[0041] 圖化是密文被0. 01隨機(jī)噪聲污染的菲涅爾域?qū)嵗袛?shù)值模擬實(shí)驗(yàn)的解密結(jié)果。
[0042] 圖7a是密文被剪切掉4%的傅里葉域?qū)嵗袛?shù)值模擬實(shí)驗(yàn)的解密結(jié)果。
[0043] 圖化是密文被剪切掉4%的的菲涅爾域?qū)嵗袛?shù)值模擬實(shí)驗(yàn)的解密結(jié)果。
[0044] 其中，1激光器、2準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、3明文、4隨機(jī)秘鑰相位版一、5隨機(jī)秘鑰相位 版二、6探測(cè)器、7計(jì)算機(jī)、8透鏡。

【具體實(shí)施方式】
[0045] 為了更好的解釋本發(fā)明，下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)分發(fā)明做進(jìn)一步的描述。
[0046] 圖la是本發(fā)明的加密方法在傅里葉域典型實(shí)施方法的光路結(jié)構(gòu)圖。該結(jié)構(gòu)包括 激光器1、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)2、明文3 (通常加載在空間光調(diào)制器上）、隨機(jī)秘鑰相位版4、隨機(jī) 秘鑰版5、探測(cè)器6、計(jì)算機(jī)7。加密時(shí)用激光照射明文，攜帶明文信息的激光束經(jīng)過兩個(gè)隨 機(jī)秘鑰版Ml和M 2的調(diào)制，衍射到達(dá)輸出面并用CCD直接記錄下來。CCD探測(cè)到的衍射圖樣 即為相應(yīng)的密文。解密時(shí)應(yīng)用本發(fā)明提出的解密算法對(duì)圖像進(jìn)行解密。
[0047] 圖化是本發(fā)明的加密方法在菲涅爾域?qū)嵤┓椒ǖ墓饴方Y(jié)構(gòu)圖。該結(jié)構(gòu)包括激光 器1、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)2、明文3 (通常加載在空間光調(diào)制器上）、隨機(jī)秘鑰相位版4、隨機(jī)秘鑰 版5、探測(cè)器6、計(jì)算機(jī)7、隨機(jī)相位秘鑰版8。用上述加密裝置完成對(duì)明文的加密。解密時(shí) 應(yīng)用本發(fā)明的相位恢復(fù)算法對(duì)圖像進(jìn)行解密。
[0048] 圖2是針對(duì)上述傅里葉域?qū)嵗M(jìn)行的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)中使用的初始設(shè)置 數(shù)據(jù)。它們均為256X256像素。實(shí)驗(yàn)中所選用的激光波長(zhǎng)為632. 8納米。圖2a是為實(shí)驗(yàn) 中所要加密的明文。圖化和圖2c為加密所用的兩塊雙隨機(jī)相位版，相位分布均為[0, 2 31 ]。 圖2d為本發(fā)明方法生成的實(shí)值密文。圖2e為使用本發(fā)明方法設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)程序所輸出的 密文的機(jī)密圖像。迭代次數(shù)k = 200。
[0049] 圖3是針對(duì)上述傅里葉域?qū)嵗M(jìn)行的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)中使用的初始設(shè)置 數(shù)據(jù)。它們均為256X256像素。實(shí)驗(yàn)中所選用的激光波長(zhǎng)為632. 8納米。圖3b是為實(shí)驗(yàn) 中所要加密的明文。圖3c和圖3d為加密所用的兩塊雙隨機(jī)相位版，相位分布均為[0,2 31 ]。 圖3e為本發(fā)明方法生成的實(shí)值密文。圖3e為使用本發(fā)明方法設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)程序所輸出的 密文的機(jī)密圖像。迭代次數(shù)k = 200。
[0050] 圖4a是傅里葉域?qū)嵗袛?shù)值模擬實(shí)驗(yàn)中相位恢復(fù)攻擊方法的攻擊結(jié)果。圖4b是 傅里葉域?qū)嵗袛?shù)值模擬實(shí)驗(yàn)中利用沖擊響應(yīng)函數(shù)方法的攻擊結(jié)果。
[0051] 圖5a是菲涅爾域?qū)嵗袛?shù)值模擬實(shí)驗(yàn)中利用相位恢復(fù)攻擊方法的攻擊結(jié)果。圖 化是菲涅爾域?qū)嵗袛?shù)值模擬實(shí)驗(yàn)中利用沖擊響應(yīng)函數(shù)方法的攻擊結(jié)果。
[0052] 圖6a是密文被0. 01隨機(jī)噪聲污染的傅里葉域?qū)嵗袛?shù)值模擬實(shí)驗(yàn)的解密結(jié)果。 圖化是密文被0. 01隨機(jī)噪聲污染的菲涅爾域?qū)嵗袛?shù)值模擬實(shí)驗(yàn)的解密結(jié)果。
[0053] 圖7a是密文被剪切掉4%的傅里葉域?qū)嵗袛?shù)值模擬實(shí)驗(yàn)的解密結(jié)果。圖化是 密文被剪切掉4%的的菲涅爾域?qū)嵗袛?shù)值模擬實(shí)驗(yàn)的解密結(jié)果。
[0054] 上述方法和實(shí)例都是通過無需相位探測(cè)雙隨機(jī)相位光學(xué)加密系統(tǒng)進(jìn)行加密，然后 利用本法明所提出的解密進(jìn)行解密算法的結(jié)果。本發(fā)明的實(shí)施不局限于上述實(shí)施方案。只 要是通過無需相位探測(cè)的雙隨機(jī)相位光學(xué)加密系統(tǒng)進(jìn)行加密，并用上述算法進(jìn)行解密的方 法、裝置和系統(tǒng)，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種無相位探測(cè)的雙隨機(jī)相位光學(xué)加密系統(tǒng)，其加密和解密過程包括以下兩個(gè)步 驟： 第一步：采用激光照射待加密明文，攜帶明文信息的光波分別受到兩個(gè)隨機(jī)相位秘鑰 版進(jìn)行調(diào)制，用CCD直接記錄下經(jīng)過兩個(gè)秘鑰版調(diào)制的光波強(qiáng)度信息。記錄下的光波強(qiáng)度 信息即為生成的密文。 第二步，使用無需探測(cè)相位的雙隨機(jī)相位光學(xué)加密系統(tǒng)的解密算法和相應(yīng)的秘鑰對(duì)密 文進(jìn)行解密，解密出密文對(duì)應(yīng)的明文信息。
2. 如權(quán)利要求1中所使用的無需探測(cè)相位的雙隨機(jī)相位光學(xué)加密系統(tǒng)，其特征在于， 可以用不同波長(zhǎng)激光器和LED等部分相干光源作為加密系統(tǒng)的照射光源。
3. 如權(quán)利要求1中所使用的無需探測(cè)相位的雙隨機(jī)相位光學(xué)加密系統(tǒng)，其特征在于， 無需相位探測(cè)的干涉裝置，用CCD直接記錄下經(jīng)過兩個(gè)秘鑰版調(diào)制的光波強(qiáng)度信息。
4. 如權(quán)利要求1中所使用的無需探測(cè)相位的雙隨機(jī)相位光學(xué)加密系統(tǒng)，其特征在于， 記錄的密文只是一幅經(jīng)過兩個(gè)秘鑰版調(diào)制的光波強(qiáng)度信息。
5. 如權(quán)利要求1中所使用的無需探測(cè)相位的雙隨機(jī)相位光學(xué)加密系統(tǒng)，其特征在于， 無需探測(cè)相位的雙隨機(jī)相位光學(xué)加密系統(tǒng)的解密算法，在迭代中是通過約束明文為純實(shí)值 來保證解密算法收斂的。
6. 如權(quán)利要求1中所使用的無需探測(cè)相位的雙隨機(jī)相位光學(xué)加密系統(tǒng)，其特征在于， 該加密算法適合于菲涅爾域的光學(xué)加密系統(tǒng)、傅里葉域的光學(xué)加密系統(tǒng)、分?jǐn)?shù)傅里葉域的 光學(xué)加密系統(tǒng)。
【文檔編號(hào)】H04L9/00GK104486076SQ201410654646
【公開日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月18日
【發(fā)明者】史祎詩, 張駿, 李拓, 王雅麗, 高乾坤 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院大學(xué)