信息安全技术已经发展成为一门综合性交叉学科，涉及信息论、通信技术、网络技术、计算机科学和密码学等知识，主要利用电子加密技术等先进技术来实现保护用户信息，以免被无意或恶意侵害，造成用户信息泄露。随着信息安全技术的不断发展，其内涵不断延伸，从最初的信息保密到信息可控，再到现阶段的信息管理控制、监测与评价等技术。从数学原理的角度来看，信息安全技术的研究主要分为两个方面，如图1所示。图1信息安全技术分类图与基于数学问题的密码学相比，光信息安全技术具有以下特点：高维加密、高并行处理速度、快速卷积及相关运算[1]。因此，在信息安全技术发展方向上，光信息安全技术的技术优势越来越明显。在光加密系统中，可以通过控制光的多自由度来设计系统的加密密钥，对系统进行多维编码，满足加密系统的高安全性要求。光信息安全技术本质上属于信息光学范畴。光信息安全技术是一种基于光学原理的数据加密和信息隐藏技术[2,3]。由于光具有天然的并行处理优势，光信息安全技术近年来发展迅速，广泛应用于各个领域。在光密码系统中，光波的传输受到衍射的限制，必然伴随着衍射现象的发生，可以提供波长、振幅、相位、偏振态、空间频率等参数。系统可以使用这些参数和衍射距离作为系统参数。加密密钥通过衍射变换达到信息加密的目的。与传统的基于数学的计算机密码学和信息安全技术相比，光信息安全技术具有多维密钥空间和天然快速并行处理大容量数据的优势。光加密相位编码的研究越来越受到重视，其中双相位随机编码技术应用最为广泛。双随机相位编码信息加密技术原理[4]加密技术原理：工作原理是利用数学或物理手段对信息在传输过程中进行保护以防止泄露的技术，在接收端解密交换恢复原始信息，这样即使窃取者截获了传输信号，他也不知道该信号代表什么，如图2所示。在机密通信中，发送方对明文信息的来源进行加密，并将其传输给接收方。原始信息称为明文，加密后的信息称为密文。接收方收到密文后，必须对密文进行解密，恢复为明文。发送方生成明文，使用加密密钥通过加密方法对明文进行加密，得到密文。密文可能被敌人截获，截获的信息只是一些随机无意义的符号，如果拦截者已经知道加密算法和加密密钥或者拥有破解发送者加密系统的计算机资源，就会造成信息泄露，当合法接收者收到密文时，他使用解密密钥通过解密算法解密得到明文，信息传输完成。图2加密信息传输示意图双随机相位编码光学图像加密方法：利用基于傅立叶光学的4f系统实现上述算法。根据图3，将待加密的明文图像f(x,y)和相位掩模M1(x,y)一起粘贴在输入平面上，当相干光照射时，加密第一步完成；如果将相位掩模M2(u,v)放在4f系统的谱平面上，则可以在输出平面上得到加密图像g(x,y)。解密时只需要把g(x,y)放在输入平面上，把M2(u,v)的匹配滤波器M3(u,v)放在光谱平面上，然后把CCD相机放在输出平面上平面得到f(x,y)。图3双随机相位编码光学图像加密示意图。实现过程是待加密的明文图像为实值函数f(x,y)，加密后的密文图像为g(x,y)，其中Φ(x,y)和Ψ(x,y))是随机分布在[0,l]中的白噪声，用于加密的相位掩码为：M1(x,y)=exp[j2πφ(x,y)]M2(u,v)=exp[j2πΨ(u,v)]解码后的phasemask为：M3(u,v)=[M2(u,v)]*M4(x,y)=exp[-j2πφ(x,y)]x,y表示空间域坐标，u、v表示对应的频域坐标。要将明文函数f(x,y)加密为随机白噪声，执行以下操作：首先，将f(x,y)与来自M1(x,y)的相位掩码相乘，得到图像f(x,y))exp[j2πφ(x,y)]，然后与相位掩模的傅里叶变换F{M2(u,v)}进行卷积得到加密图像：解密时，先将g(x,y)做傅立叶变换得到G(u,v)=F{g(x,y)}=F{f(x,y)exp[j2πφ(x,y)]}M2(u,v)然后乘以G(u,v)和M3(u,v)再进行傅立叶变换得到f(x,y)exp[j2πφ(x,y)]，解密后的图像就是其模|f(x,y)的平方|2，要完全恢复f(x,y)还需要用M4(x,y)来消除随机相位的影响。双随机相位编码图像全息记录实现方案双随机相位编码图像全息记录，采用全息方法记录加密图像[5]，其光路应在图3的基础上引入一束参考光，如如图4所示。图4双随机相位编码图像的全息记录示意图。设平面参考光波的场分布为：a为参考光的传播方向与系统光轴的夹角，λ为光波的波长，R0为参考光的恒定振幅光波。根据上面的讨论，加密时，CCD上记录的图像应该是加密图像光波与参考光波之间的干涉光强度H(x,y)，即解密时，当参考光照射时图像H(x,y)时，经过H(x,y)的波阵面为：只有上式中的第二项有用，即加密后的图像信息，只有经过处理才能正确解密,且此项的传播方向与入射光的夹角a有关,使得加密光路与解密光路略有不同,但均采用4f结构,解密光路光学对准难度大增加。光学图像加密实验结果的输入是一张256x256像素的莉娜人像明文图像（图傅里叶的阶数分别是Lens1和Lens2的两次分数阶傅里叶变换，以及编码后的图像密文（图5(b)）得到，如果没有对应的密钥，则表现为没有任何明文信息的白噪声，用光密钥解密密文（加密图像（图5（b））），恢复出明文图像（图5）(c));如果窃贼获得了传输信号，但没有解密密钥(M3=M*2)，则无法恢复明文，只能得到图5(d)中的图像。(a)明文（莉娜肖像）(b)密文（加密图像）(c)正确解密结果(d)无密钥得到的图像作用是对图像进行光学变换或处理，完成信息在图像中的嵌入空间或时间域。加密算法的密钥通常采用随机相位模板或光学系统的一些结构参数，如入射波长、衍射距离、焦距等。光学信息加密技术为提高信息加密的维数和性能提供了更好的解决方案。多重隐藏的实时性。参考文献[1]UnnikrishnanG.,SinghK..用于光学安全的双随机分数阶傅立叶域编码[J]。选择。Eng.,2000,39(11):2853~2859[2]B.Javidi.用光学技术保护信息安全[J]．今日物理,1997,50(3):27~32.[3]O.Matoba、T.Nomura、B.Javidi等。信息安全的光学技术[J]．IEEE会刊,2009,97(6):1128~1148.[4]彭翔,张鹏,魏恒政,等.双随机相位加密系统的已知明文攻击[J].物理学报,2006,55(3):1130~1136.[5]M.R.阿布图拉布。光学干涉原理和螺旋相位编码增强彩色图像密码体制的安全性[J]．应用光学,2013,52(8):1555~1563.
