基于Matlab的光学信息安全教学实践

根据光学信息安全课程的特点,提出了可视化的探究性教学方法,并以双随机相位编码光学加密系统为例,给出了Matlab软件在加密系统仿真、加密系统结果分析以及对系统进行探究性学习中的应用实例。实践证明:Matlab仿真既可以虚拟精密而复杂的光学系统,又可以对理论分析的结果进行深入的数值分析并直观地展示。同时,Matlab强大的功能使得学生可以方便地对各种猜想进行验证,从而激发其研究的兴趣,极大地提高了教学效果。

鬼成像的光学信息安全技术研究

随着社会的不断发展与进步,在光学信息领域已经研发出一种全新的加密方案,即鬼成像,由于鬼成像的加密系统当中,进行了一定的优化与改进,这就使得在鬼成像的安全技术这一块,也必须得到对应的加强。本文就对鬼成像的光学信息安全技术进行分析,供参考。

非对称光学图像加密系统的已知公钥攻击

为了破解基于相位截断傅里叶变换的非对称光学图像加密系统,提出一种已知公钥的攻击方法,并通过理论分析和实验仿真进行了研究。结果表明,在已知公钥的攻击下,攻击者可通过获取通用解密密钥恢复基于相位截断傅里叶变换的非对称光学图像加密系统的明文,并取得了较好的破解效果。在整个攻击的实施过程中,除了公开的加密密钥,无需额外的资源,同时攻击难度大大降低,因此更具实际意义。

双位相密钥衍射系统用于旋转抛物面包围三维信息加密的研究

用双位相密钥衍射系统以解决简单三维立体信息的加密问题.选取旋转抛物面包围的三维信息作为加密对象,用相位恢复算法设计了双位相密钥.计算机模拟结果证实了该系统的有效性,并揭示了不同约束条件、迭代次数等对三维信息整体恢复质量所造成的影响.研究发现,应针对实际的设计需求在算法开销与整体恢复质量之间取得平衡.

一种基于多重散射的光学Hash函数

本文提出了一种基于光与多重散射介质相互作用的光学Hash函数构造方法.该方法创新性地利用多重散射介质对相干调制光的天然随机散射作用,实现了对调制光的“混淆”和“扩散”,从而满足了Hash函数的核心功能要求:高安全强度的单向编码/加密.所设计的光电混合系统能有效地模拟Hash函数中的“压缩函数”,结合具有特征提取功能的Sobel滤波器,能实现将任意长度的输入数据压缩并加密为固定长度为256 bit的输出(即Hash值).一系列仿真结果表明:该方法所构造的光学Hash函数具有良好的“雪崩效应”和“抗碰撞性”,其安全性能可比拟当前最为广泛使用的传统Hash函数(MD5和SHA-1).

针对联合变换相关器加密系统的光学唯密文攻击系统

针对混合输入输出(HIO)等数值攻击算法攻击联合变换相关器(JTC)加密系统运行时间长、攻击效率低的问题,设计了一种基于光路迭代的光学唯密文攻击系统。该系统充分利用了光学系统高速并行处理的特点,通过光束在光学系统中的光学傅里叶变换取代在计算机上的数字傅里叶变换,显著缩短了攻击算法的运行时间,有效提高了对JTC加密系统的攻击效率。仿真结果表明,相较于HIO攻击算法,在迭代次数相同的条件下,基于光路迭代的光学唯密文攻击系统有效减少了算法的运行时间,显著提高了对JTC加密系统的攻击效率。

一种基于双光束干涉和非线性相关的身份认证方法

提出了一种基于双光束干涉结构和非线性相关算法的身份认证方法.该方法在传统双光束干涉加密结构中引入基于"随机二值振幅分布"的相位恢复技术,将多幅图像分别编码至对应的稀疏相位分布,并通过叠加复用技术和非线性相关算法,实现了多级别的身份认证功能.其认证过程中不同级别用户所持有的相位密钥是一个稀疏相位分布,数据量更小,便于存储和传输.此外,认证时的输出图像虽然含有标准参考图像的核心信息却具有视觉上的不可分辨性,降低了信息泄露的风险.理论分析和数值仿真结果都证实了该方案的有效性和可行性.

双随机相位加密系统的无约束最优化攻击

提出一种针对双随机光学相位加密系统的无约束最优化攻击算法.在已知明文条件下,首次将双随机相位加密系统的攻击问题转化为一个单目标无约束最优化模型.基于该模型,在相应的攻击算法设计中,采用拟牛顿矩阵代替Hessian矩阵以准确获取系统的密钥,避免传统牛顿法需要计算Hessian矩阵的逆等严重缺陷.同时,因有效利用拟牛顿矩阵的正定、对称、可迭代求逆的特点,新的攻击算法具有恢复效果好、收敛速度快、初值依赖弱、鲁棒性较强等优势.此外,本算法所需约束条件较少,可方便地移植到其他光学加密系统的攻击中.

基于二值化计算鬼成像的盲水印方法

提出了一种基于二值化计算鬼成像的盲水印方法.首先将水印图像经计算关联成像加密系统加密,并将加密数据二值化,然后将其隐藏到宿主图像的离散余弦变换域,实现水印信息的嵌入.水印信息的提取和重建是隐藏和加密的逆过程,分别借助提取密钥和解密密钥获取水印信息.仿真实验证明,该方法具有很好的隐蔽性,在嵌入因子α=10时,嵌入水印仍具有较好的不可感知性,含水印图像的峰值信噪比在38 dB以上;另外,该方法也具有一定的容错能力,提取的加密数据错误率达20%时,重建的水印信息仍能分辨和识别;与传统的计算鬼成像相比,加密数据的二值化为水印嵌入提供了方便,但是并未对重建图像带来严重恶化,其相关系数相差不足0.1;水印信息的提取无需借助原始宿主图像,是一种盲提取方法.

光学图像压缩加密技术研究进展

光波作为信息载体具有高速并行处理二维信息的能力及天然优势。光波的波长、振幅、相位、偏振等为光波的调制提供不同的维度和多种可能,也使得光学加密技术和光学密码系统展现出巨大的应用价值。随着加密数据传输量的急剧增长,在进行加密的同时实现信息的压缩变得愈加重要,因为这将缩短处理这些数据所需的时间并有效节约存储空间。提出广义的光学图像压缩加密的概念,并将压缩策略分为明文压缩、密文压缩和明文密文同步压缩。在此基础上,介绍适合每种策略的具体压缩方法,并通过阐述这些压缩方法在一些实例中的应用,综述了光学图像压缩加密技术的研究进展,也对未来的研究方向进行了展望。

双随机相位编码光学加密系统的唯密文攻击

针对双随机相位编码光学加密系统的安全性分析表明,该系统属于线性对称分组密码系统,其线性性质为安全性留下极大隐患.在唯密文攻击下,仅根据密文估计出物面波函数的“支撑”(support),然后利用迭代相位恢复算法获得物面波函数(其振幅是明文信息),再根据物面波函数与频域密文的关系可推导出频谱平面的解密密钥.由于估计出来的物面波函数的“支撑”相对于真实的物面波函数的“支撑”有一定的平移,使得恢复的物面波函数与真实的物面波函数之间无论在振幅上还是相位上都存在平移,导致用推导出来的解密密钥去解密其他密文时所获得的明文与原始明文之间存在明显平移.然而,可依照这一先验信息,将估计出来的物面波函数的“支撑”在物面内遍历,从而找到逼近真实解密密钥的解.利用此解密密钥去解密其他密文时获得更好的解密效果.

基于计算全息和随机相位编码的三维信息的加密与显示

提出了一种基于计算全息和随机相位编码的三维信息的加密与显示方案,在计算全息三维显示系统中,将随机相位掩模放置到计算全息的频谱信息中,重现时放置相应随机相位的共轭,并将此作为解密的密钥,实现对计算全息图中三维物体的解密和显示。该方案光路结构简单,在实现对三维物体显示的同时保证了信息的安全性,提高了加密的效率和信息的容量,数值模拟验证了方案的可行性。

基于位相抽取的三维信息加密算法研究

本文提出了以位相抽取为基础的三维信息加密算法.构造由纯振幅和纯位相物体组成的简单三维信息作为加密对象.先用标量衍射理论计算其复振幅并抽取相位分布,再结合双随机位相编码完成加密.解密算法为上述算法的逆过程.计算机模拟结果证实了该算法的有效性、鲁棒性和安全性,并揭示了位相抽取算法用于加密更大信息量三维信息的潜力.

约束集投影算法和4f相关器的光学密码系统的已知明文攻击

分析了约束集投影和4f相关器的光学加密系统的安全性,并提出一种基于双强度相位恢复的已知明文攻击方法。约束集投影和4f相关器的加密系统是典型的光学密码系统,由于其解密系统可以等价于一个标准的4f系统,并且加密密钥与解密密钥相同,因此本质上仍是一个线性系统,这就为系统的安全性留下了很大隐患。该攻击方法仅利用一对输入的相位信息和相应输出的强度信息即可成功得到加密系统的密钥,提高了攻击实施的可行性。

级联双相位密码系统中基于位置复用的双图像加密

级联双相位密码(CDPE)系统是一种包含两个纯相位板(密文板和密钥板)的重要光学密码系统,为了提升该系统的加密效率,提出一种双图像加密方法。加密时,将密钥板的轴向距离作为控制参数,提出一种新的迭代加密算法,该算法可将两幅明文图像加密至同一个密文板中,将传统的CDPE系统的加密效率提升了1倍。解密时,当密钥板分别处于两个设定的轴向位置时,可以在输出平面得到两幅不同的明文图像。采用数值仿真和实验验证了所提方法的有效性,并研究了密钥板两个位置之间的距离对解密结果的影响。对所提方法安全性的分析表明,所提方法对于暴力破解和选择明文攻击均具有稳健性。此外,所提方法可方便地推广至多图像加密,因此CDPE系统的加密效率可以得到进一步提升。

双随机相位加密系统的已知明文攻击

运用密码分析学的方法对双随机相位加密系统进行了初步的安全性分析.研究结果表明,该系统属于线性的对称分组密码系统,线性性质为其安全性留下隐患.在已知明文攻击下,攻击者可通过常规的相位恢复算法获得4-f系统输入平面的随机相位函数密钥,继而可轻易推出频谱平面的随机相位函数密钥,从而攻破此密码系统.

基于双密钥分割合成滤波的相位编码的密钥恢复算法

提出了一种分割合成滤波(SCF)相位编码的新密钥恢复算法。恢复过程中,首先利用已知明文攻击的方法获取SCF相位编码系统的分割模板;然后根据模板的信息,借助蒙特-卡罗法模拟分析出各个像素点的归属情况。进而利用分割模板的生成规则恢复出密钥频谱的强度信息,在此过程中提出了强度池(IP)的概念,以解决强度修正的问题。最后借鉴相位恢复的思想,经多次迭代恢复出密钥频谱的相位信息,进而恢复出所需密钥。结果显示,运用恢复出的密钥可成功地对使用该编码的图像进行译码,并且得到的译码图像质量很好。