（光学工程专业论文）数字全息图像加密及水印技术.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着数字通信和计算机网络技术的迅猛发展，社会进入信息时代信息技术 给人们带来巨大便利的同时也对信息安全提出了更高的要求以密码学为基础 的传统的数字加密技术面对海量信息和高速处理的要求力不从心，而光学信息 处理以光速进行，而且具有并行的特点；光波具有很高的时间频率以及相应的短 波长，能处理的信息量很大所以，光学信息技术为有效解决目前信息技术面临 的海量信息与处理速度受限的困难提出新的希望把光学系统的高速、大容量特 点和现有的密码学理论与技术有效结合起来，需要信息光学、密码学和计算机科 学的紧密结合而具体应用有赖于切实可行的算法的研究以及高集成度、便携 式、节能、耐用的微光电子器件的发展 基于光学信息处理的数字全息技术可以成功地用数学的方法模拟光学信息 处理的过程，如光的传播、干涉、衍射、透镜的傅里叶变换以及全息记录和重建 等，它具有变换灵活、实施方便、自由度大等优点，已成为信息光学的一个重要 分支研究者提出了种种数字全息图像加密方法，其中随机相位板的引入为实现 图像加密提供了极高的安全性，得到广泛的应用 本文总结了基于信息光学的多种数字图像加密和水印技术，并从实际应用 中对加密图像在传输过程中的要求着手，进行了深入研究，提出了一系列便于网 络传输的新的数字图像加密和水印方法本文工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 将双相位板调制与三步相移干涉术结合，对图像实现了加密；并引入水 印技术进一步隐藏加密图像 ( 2 ) 利用随机相位板匹配，实现了用同一套传输图像对多幅图像的同时加密， 它可以大大提高传输图像的利用率 ( 3 ) 对分别单独利用加密衍射场的实部、虚部和相位图恢复原图像进行了系 统的对比研究，发现相位图携带更多的图像信息，恢复效果最好基于这一事实， 提出了纯相位图像加密及水印技术，它可以显著降低处理和传输所需信息量 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) 提出了一种纯数字水印的“画中画”图像加密隐藏技术，该技术可把原图 像加密后完美地水印隐藏于公开传送的图像中，而不引起后者表观上的改变该 方法可大大提高加密图像的隐蔽性和迷惑性，令非授权的接收方根本意识不到 加密图像的存在，从而增加保密信息的安全性它在保密通信中有着广泛的应用 前景 关键词：数字全息术；图像加密；相移干涉术；数字水印 h 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s , w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e mc o m m u n i c a t i o na n d c o m p u t e rn e t w o r kt e c h n i q u e s ，w eh a v ee n t e r e dt h ei n f o r m a t i o ne r a i n f o r m a t i o n t e c h n i q u e sp r o v i d el l sw i t hm a n yc o n v e n i e n c e s ；m e a n w h i l e t h e yp u tf o r w a r dh i g h d e m a n d so fi n f o r m a t i o ns e c u r i t y t r a d i t i o n a le n c r y p t i o nt e c h n i q u e sb a s e do n c r y p t o g r a p h yh a v ed i f f i c u l t yi nd e a l i n gw i t hi n c r e a s i n gi n f o r m a t i o nc a p a c i t y , n o tt o m e n t i o nt h e i rl i m i t e dp r o c e s s i n gs p e e d o p t i c a li n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g ，w h i c h o p e r a t e sa tl i g h ts p e e d , h a sp a r a l l e lp r o c e s s i n gc a p a b i l i t y f u r t h e r m o r e ，o p t i c a lw a v e s l l i g hf r e q u e n c ya n d s h o r tw a v e l e n g t hm a k ei t p o s s i b l e t oh a n d l ee n o r m o u s i n f o r m a t i o nc a p a c i t y t h e r e f o r e ，o p t i c a li n f o r m a t i o np r o c e s s i n gs h i n e san e wp a t hf o r f u t u r ei n f o r m a t i o nt e c h n i q u e s i n c o r p o r a t i n gt h ea d v a n t a g e so f o p t i c a lp r o c e s s i n gw i t h h i g hs e c u r i t yl e v e lo f t r a d i t i o n a le n c r y p t i o nm e t h o dn e e d sh a r dw o r ko f r e s e a r c h e r so f i n f o r m a t i o no p t i c s ，c r y p t o g r a p h ya n dc o m p u t e rs c i e n c e ，a n di t sp r a c t i c a la p p l i c a t i o n l i e so ns t u d yo fc o n v e n i e n ta n dp r a c t i c a la l g o r i t h m sa n dt h ed e v e l o p m e n to fp o r t a b l e , e n e r g y - s a v i n g ，h i g hi n t e g r a t i o nl e v e lm i c r o o p t o e l e c t r o c o m p o n e n t s b a s e do no p t i c a lp r i n c i p l e ，d i g i t a lh o l o g r a p h yc a ns u c c e s s f u l l yh a n d l et h eo p t i c a l p r o c e s ss u c ha sp r o p a g a t i o n , d i f f r a c t i o n , f r e s n e lt r a n s f o r mo fl e n s ，i n t e r f e r e n c e ， r e c o r d i n ga n dr e c o n s t r u c t i o no fh o l o g r a m si nd i g i t a la p p r o a c h e s i t sa d v a n t a g e so f h i g hf l e x i b i l i t ya n de a s i n e s si nu s ee n a b l er e s e a r c h e r st ou t i l i z ei ti nm a n ya r e a s e s p e c i a l l yi ni n l a g ee n c r y p t i o na n dw a t e r m a r k i n g f o re x a m p l e , t h ei n t r o d u c t i o no f r a n d o mp h a s em a s ki n t oi m a g ee n c r y p t i o nh a sg r e a t l ys t r e n g t h e n e dt h es e c u r i t yo f e n c r y p t e di m a g e sa n dt h e nf o u n dw i d eu s ei np r a c t i c e t h ea i mo f t h i st h e s i si st og i v eac o m p r e h e n s i v er e v i e wo nt h er e c e n td e v e l o p m e n t o ft h et e c h n i q u e so fi m a g ee n c r y p t i o na n dw a t e r m a r k i n g ，a n dt h e np r o p o s es o m e n o v e lm e t h o d sa n dt e c h n i q u e so fd i g i t a li m a g ee n e r y p t i o na n dw a t e r m a r k i n g ，w h i c h a r em o r ec o n v e n i e n ta n de a s i e rt or e a l i z ef r o mt h ev i e w p o i n to f i m a g et r a n s m i s s i o n u i 山东大学硕士学位论文 v i ai n t e r n e t t h em a i nr e s e a r c hw o r ki nt h i st h e s i si n c l u d e st h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) w ep r o p o s e da d i g i t a li m a g ee n c r y p t i o nt e c h n i q u ew i t hd o u b l er a n d o mp h a s e m a s k sa n dp h a s e - s h i f t i n gi n t e r f e r o m e t r y , a n di n t r o d u c e daw a t e r m a r k i n g m e t h o dt of u r t h e rh i d et h ee n c r y p t e dd a 饥 ( 2 )c o n s i d e r i n gt h es e n s i t i v es e l e c t i v i t yo fr a n d o mp h a s em a s k s ，w ep r o p o s e da m u l t i p l ei m a g ee n c r y p t i o na n dw a t e r m a r k i n gt e c h n i q u e ，w h i c hc a nr e a l i z e i m a g ee n e r y p t i o na n dw a t e a r n a r k i n gf o r2 4i m a g e sa tt h es a m et i m ei no n e s e to fi n t e r f e r o g r a m s t h i sm e t h o dc a nc o n s i d e r a b l yi n c r e a s et h ee f f i c i e n c y o f d a t at r a n s m i s s i o n ， ( 3 ) ac o m p a r a t i v es t u d yo fi m a g er e c o n s t r u c t i o nf r o mo n l yo n eg r a y - l e v e l t r a n s m i t t e di m a g e ，n a m e l y , o n l yt h er e a lp a r t ，t h ei m a g i n a r yp a r to rt h ep h a s e i n f o r m a t i o no ft h ee n c r y p t e dc o m p l e xi m a g e ，h a sb e e nm a d e i ts h o w st h a t t h ep h a s ei n f o r m a t i o nc a ng i v em u c hb e t t e rp e r f o r m a n c e b a s e do nt h i si d e a , w ep r o p o s e dan e wt e c h n i q u eo fp h a s e - o n l ye n c r y p t i o na n dw a t e r m a r k i n g a n dh a v ev e r i f i e di t se f f e c t i v e n e s sb yc o m p u t e rs i m u l a t i o n s t h i sm e t h o dc a l l g r e a t l yd e c r e a s et h ea m o u n to f t r a n s m i s s i o nd a t a ( 4 ) w ep r o p o s e dap u r e l yd i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n i q u e ，w h i c hm a yb ec a l l e d p i c t u r e - i n - p i c t u r e ：b yh i d i n gas e c r e ti m a g ei nah o s ti m a g ew i t h o u ta n y a p p a r e n tc h a n g eo ft h el a t t e r t h i st e c h n i q u em a ym a k ei ti m p o s s i b l ef o r 姐 u n a u t h o r i z e dr e c e i v e rt ob ea w a r eo ft h ee x i s t e n c eo ft h ee n c r y p t e di m a g e a n dt h e ns i g n i f i c a n t l yl o w e rt h ec h a n c eo fi t su n a u t h o r i z e dd e c r y p t i o n t h i s m e t h o dm a yf i n dw i d eu s ei ns e c r e t ec o m m u n i c a t i o n s k e yw o r d s ：d i g i t a lh o l o g r a p h y , i m a g ee n c r y p t i o n , p h a s e s h i f t i n gi n t e r f e r o m e t r y , d i g i t a lw a t e r m a r k i n g 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明本声明的法律责任由本人 承担 论文作者签名：赶盟纠 日期：2 鲤王。垒鳇矽 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权 山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名邋日期：芈口 山东大学硕士学位论文 第一章引言 光学是一门古老的科学，自从伽辛q 略发明了望远镜到现在，光学已经走过了 数百年的历程光学的主要研究对象是光波，光波不仅是传递能量的媒介，而且 是信息的栽体光学是物理学的基础学科之一，从上个世纪4 0 年代末开始，光学 在理论方法和实际应用上都有重大的突破和进展：1 9 4 8 年，g a b o r 提出了波前 再现的思想( 全息术) 【l 】，1 9 5 5 年，光学传递函数的提出，1 9 6 0 年，激光器的诞生等 这些事件对促进现代光学这门新兴学科的发展都具有重要的意义信息光学是 现代光学的一个重要分支，它将信息理论与传统光学结合起来，为处理光学问题 提供了全新的视角和方法，已在现代光学的各个领域得到了广泛的应用 与电子学信息处理相比，光学信息处理有以下优点 1 运算速度快，基本以光速进行 2 容量大，易于实现二维和三维信息的并行处理，特别适用于快速图像处理 3 抗干扰性强，不受电磁干扰 4 避免了光学信号与电子信号的光电一电光转换 然而，传统的光学信息处理需要笨重的全息防震台，需要进行反复光路调校， 记录介质使用全息干板、胶片，曝光后需要显影定影处理这样的过程繁琐而且 无法实时处理作为传统光学的发展一数字全息解决了这个问题数字全息术用 c c d 代替全息干板记录干涉图样，实时显示在监视器屏幕上利用数字全息方 法，可以不用实际的光路，而根据物体表面的数学模型，引入虚拟的物光波与参 考光波干涉，产生虚拟的干涉图【2 6 】由于数字全息术无需光路调校，无需显 影定影，快捷方便，方法多样，灵活性强，精确度高，它已成为信息光学中飞速 发展的一个重要分支 山东大学硕士学位论文 1 1 信息光学的发展历史 1 1 1 光学的历史与发展 光学的历史可以追溯到3 0 0 0 年以前，我国的春秋战国时代的墨经中已 记载了投影小孔成像等光学现象古希腊学者欧几里德( e u c l i d ) 在反射光学 ( c a t o p t r i c a ) - - 书，研究了光的直线传播原理和光的反射定律事实上，人们对光 现象的认识最初就是从光的传输方向等几何量的变化开始的几百年来。经过伽 利略、牛顿、惠更斯、菲涅耳、夫琅禾费、麦克斯韦、爱因斯坦等伟大先驱们持 续的努力，光学己发展成为物理学中一门极为重要的基础学科，它运用严格的数 学理论和方法，发展和形成了一套完整的理论体系及一套与理论相配合的实验 方法 光学是研究光波传播规律的科学研究光是怎样从几百万光年甚至更远的 银河外星系传播到地球上；研究光在显微镜中通过聚光镜照亮标本，再通过物镜 成像，经过目镜放大，最后通过眼睛的晶状体投影到视网膜上的全过程：研究遥 远的村庄、湖泊通过沙漠上空的灼热大气的折射，形成海市蜃楼的奇观 光学又是研究光波与物质相互作用的科学研究在太阳照射下植物的光合 作用；研究照射到照相底片上的光波引起感光乳胶的变化；研究光波照射半导体 的p n 结产生的光电流；研究光辐射如何影响癌细胞的繁衍 光学从诞生之日起，就是- 1 3 “仪器化”的科学在它数百年发展的历程中， 逐渐形成了一系列很有特色的实验装置和测试设备一光学仪器从放大镜、眼镜 到有几百万个光学镜片和复杂的电气、机械系统的大型天象仪、大型天文望远镜； 从照相机、放大机、复印机到经纬仪、潜望镜、测距仪，光学仪器普遍用于人们 生活、工作的各个领域，对光学测量和仪器的研究构成了光学学科的一个重要分 支 ， 1 1 2 信息光学的诞生 。 2 经典光学主要分为两部分：几何光学和波动光学经过几百年漫长的道路， 山东大学硕士学位论文 这两部分都已发展接近成熟利用几何光学和波动光学非常成功地解释了大部 分光学现象和光学效应但在二十世纪中叶，光学作为物理学的一个分支，发生 了深刻的变化 1 1 9 4 8 年，全息术的诞生，物理学家第一次精确地拍摄下一张立体的物体 像，它几乎记录了光波所携带的全部信息( 这正是“全息”名称的来历) 1 2 1 9 5 5 年，科学家第一次提出“光学传递函数”的新概念，并用它来评价光学 镜头的成像质量 3 1 9 6 0 年，一种全新的光源一激光器诞生了，它的出现极大地推动了相关 学科的发展 由于激光器的应用，全息术获得了新的生命全息术和光学传递函数的概念 结合，使光学研究不再限于用光强、振幅的空间分布来描述光学图像，而把图像 看作是由缓慢变化的背景等比较低的“空间频率”成分和急剧变化的细节等比较 高的“空间频率”成分构成的，用空间频率的分布和变化来描述光学图像一门新 的学科一信息光学( 傅立叶光学) 同从传统的经典波动光学中脱颖而出 1 1 3 全息光学的兴起 ( 1 ) 从瑞利判据到全息术的发明 尽管近代全息术总与激光联系在一起，全息术的思想却在激光出现大约3 0 年前就萌生出来了实际上，全息术思想与显微技术有着不解之缘首先提出全 息术思想的是英国物理学家伽柏( d e n n i s g a b o r , 1 9 0 0 1 9 7 9 ) 他是在研究显微镜 的分辨本领时产生这一思想的 根据波动光学理论。任何光学成像系统能分辨目标的最小间隔都有一定的 限度英国物理学家瑞利( j o h nw i l l i a ms t r u t tr a y l a i g h , 1 8 4 2 1 9 1 9 ) 曾给出光学 系统分辨细节能力的判别标准，它称为瑞利判据瑞利判据已成为估算和比较光 学系统分辨本领的统一标准，它是光学仪器性能的重要指标之一按照瑞利判据， 显微镜的最小分辨率为w = 0 6 1 n a 伉为入射光波波长，n a 为显微镜的数值孔 径) 1 9 3 4 年，伽柏正在一家英国公司实验室工作，他的任务是提高电子显微镜的 分辨本领尽管电子显微镜的分辨本领已经比最好的光学显微镜提高了近百倍， 山东大学硕士学位论文 但仍不足以分辨晶格主要障碍来自相互制约的两个方面一球差和衍射差为了 兼顾两者。不得不把电子显微镜的孔径角限制在5 x l o 。弧度，此时所能分辨的最 小间隔为0 4 r i m , 而分辨晶格至少需要可分辨间隔为0 2 r i m 这一长时间难以克 服的困难，使伽柏认识到，不能再沿原路思考这一问题由电子衍射，使他想到 了x 射线衍射术 进入到2 0 世纪的波动光学已经发展到相当完善的地步应用惠更斯一菲涅 耳原理不仅能圆满地解释光的干涉现象，以该原理为基础，光的衍射理论也发展 到相当完善的地步本世纪初，从对x 射线本性的讨论开始，许多著名物理学家 卷入到对x 射线的研究1 9 1 2 年，德国物理学家劳厄( m a xv o nl a u e 。1 8 7 9 1 9 6 0 ) 在索末菲的研究生弗里德里奇及伦琴的研究生克尼平的协助下，在一块硫 化锌晶片上，获得了x 射线的衍射图样这一著名实验得到了多重的成果，它不 仅证实了x 射线的波动性，也揭露了晶体的周期性规则结构它提供了根据结构 已知的晶体衍射测定波长的方法；也提供了根据波长已知的x 射线，进行晶体空 间结构研究的途径劳厄的这项成果，使他获得了1 9 1 4 年度的诺贝尔物理学奖 继劳厄之后，英国布喇格父子也开展了应用x 射线衍射，研究晶体结构的系统实 验研究他们在劳厄获奖的次年由此获得了诺贝尔物理学奖小布喇格获奖的当 时，年仅2 5 岁，成为最年轻的获奖者使伽柏受到启发的，不仅是布喇格的x 射 线显微镜，更重要的是他们的二次成像重现技术与一般透镜成像不同，应用x 射线照射晶体，直接得到的仅是有规则的斑点群，即衍射图样只有用相干光对 衍射图样进行第二次衍射，才可能复现晶格的像伽柏还同时注意到了布喇格这 一方法的不足之处，他们没能记录傅立叶变换的全部信息由于相位在拍摄过程 中被丢失，布喇格的方法只适用于入射线与衍射线间相位改变量已知的特殊物 体为了记录相位，伽柏想到了荷兰物理学家泽尼克( f r i t zz e m i k e ，1 8 8 8 1 9 6 6 ) 在1 9 3 4 年发明的相衬显微镜【9 5 】相衬显微镜原是适应生物学及医学的需要研 制成功的这种显微镜可以把衍射光的相位与直接光相比较，使被观察的不同细 胞带上不同的颜色，这样既清晰可见，又无需染色，因而不致于把细胞破坏伽 柏从中抓住了最宝贵的一点：利用背景记录相位的方法泽尼克所采用的“相干 背景”使伽柏想到，若用直接而来的相干背景波作为参考波，与来自观察物的衍 射波相互干涉，在照相底片上所记录的干涉图样，将不仅包含了信息的振幅( 强 4 山东大学硕士学位论文 度) ，也将会把相位记录在内伽柏把这种干涉图样称作“全息图i 在全息图上， 两束光的同相位处，光强极大；相反处，光强极小当拍摄的全息图是正片时， 再用参考光照射，透光强处相位将与物波相同；弱处则相反；于是物波的波前 即可重现就这样，伽柏利用了重建波前的方法，为他所研究的电子显微镜提出 了二次成像的方案这个方案的第一步是用电子束照射观察物，使被物衍射的电 子束与相干背景，即入射光束中未被衍射部分的电子束发生干涉，在底片上记录 相干结果第二步则是用光学系统再现，并校正电子光学的像差，然后再在底片 上得到再现的像伽柏与他的助手一起，于1 9 1 8 年首次获得了全息图及其再现 像这个图象就是h u y g e s ( 惠更斯) 、y o u n g ( 杨) 和f r e s n e l ( 菲涅耳) - - 位波动光学大 师的名字尽管所拍摄的物受到同轴的限制，存在不可避免的孪生像的干扰，但 是这一实验首次实现了全息记录和重建波前，自此开创了全息术为此，伽柏获 得了1 9 7 1 年的诺贝尔物理学奖 受到全息术神奇效果与应用前景的魅力所吸引，许多研究者纷纷投入全息 术的研究中5 0 年代初，gl 罗杰斯等人扩充了波阵面再现的理论，并提出用无 线电波全息术检测电离层的设想1 9 5 2 年，贝兹( b a e z ) 又提出了x 射线全息术设 想与此同时，艾尔萨姆( h m a e 1 s u m ) 和吉尔巴奇克k i r k p a t d c k ) 又进一步 阐明了x 射线全息术的若干理论问题，他们的论文己成为当时研究伽柏全息术 的重要文献 ( 2 ) 从低谷中崛起的全息光学 在5 0 年代，由于不能找到理想的相干光源，研究工作受到同轴全息孪生像 的干扰【2 2 】为了减小这种影响，记录面必须放在样品的远场区；高压汞灯的强 度、单色性及相干性又受到了极大的限制因此全息术的研究工作在相当长的一 段时间内成效甚微 6 0 年代，激光的出现使全息术的研究走出了低谷1 9 6 1 1 9 6 2 年，正在美国 密执安大学任教的利思( l e i t h ) 与尤帕尼克斯( u p a t n i c k s ) 对伽柏的同轴全息术作了 改进他们引入了倾斜参考光束，解决了孪生像问题，并用氦氖激光器成功地拍 摄到第一张实用的激光全息图利思等人的成果发表后，引起了巨大的轰动利 思等人坚持波前重建理论的研究，并把全息理论与通信理论相结合，用于侧视雷 山东大学硕士学位论文 达的研究这实际上就是电磁理论的二维全息术他把这项研究中创立的倾斜参 考波法成功地移植到了激光全息，使全息术获得重大的进展为此，利思在1 9 7 9 年获得美国国家科学奖章 与利思同期坚持全息术研究的，还有前苏联物理学家丹尼休克( d a i l i s y u k ) 在全息术陷入低潮时期，他也坚持了波前重现理论的研究在困境中，法国物理 学家李普曼( g a b r i e lj o n a sl i p p m a n n , 1 8 4 5 1 9 2 1 ) 的彩色照相术给他启发李普 曼曾在水银面上覆一层乳胶液，从水银面反射的光与原入射光相干，在乳胶层中 形成驻波，不仅能把发自拍摄物的光强记录在乳胶中，还能显现拍摄物的颜色 这一发明曾轰动一时，李普曼也因此项发明而获得1 9 0 8 年诺贝尔物理学奖丹 尼休克从中得到启发，提出“体积反射再现波前原理：后人称为丹尼休克原理 这一原理被用到了伽柏的全息术。使物波与参考波从乳胶的两面反射而产生驻 波，形成李普曼层当用白光照射时，这些层即能反射原来的颜色，物体的像也 在原来的位置复现出来丹尼休克的这一成果为激光出现后的白光反射再现全 息术打下了基础，为此，他获得了1 9 7 0 年列宁奖金 从6 0 年代中期开始，激光全息术进入理论与实用两个方向发展的时期在 这一时期，全息术不仅成为近代科学研究、工业生产及经济建设中一种有效的测 试手段，它还促进了一门新的光学学科一全息光学的兴起这一时期，出现了各 色各样的全息图，从同轴型到离轴型，从振幅型到位相型，从菲涅耳型到夫琅和 费型，从图像型到计算型。从激光再现到白光再现型它们不仅深化了各个方向 上的实用进展，而且又扩展了全息干涉测量术、全息光学元件与全息信息存贮三 个方面的应用前景现今。激光全息技术又在全息立体显示、全息变换与全息特 征识别等方面有了较大的发展 1 1 4 数字光学及数字全息图 然而，传统的光学信息处理需要笨重的全息防震台。光路需要进行反复调校， 而且记录介质一般使用全息干板、胶片，曝光后需要显影定影处理这样的过程 不仅繁琐而且不利于实时处理，作为一个传统光学的数字化的产物一数字全息 技术解决了这些问题 6 山东大学硕士学位论文 数字全息技术就是依靠电荷耦合器件( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，c c d ) 代替全 息干板记录干涉图样，在监视器屏幕实时显示图像变化上，用数字化的形式记录 全息图的方法；有的研究者也用计算机直接制作全息图，用数字化的计算方法制 作全息图称为数字全息图或者计算全息图数字全息计算主要应用在空间滤波、 全息及莫尔计量、光学图像处理以及激光扫描等方面，是一门正在发展中的新兴 学科 第一张模压数字全息图出现在1 9 8 8 年7 月“计算机图像和应用”杂志的封面 上，它由a b n h 公司在“t h et i nt o y ( 一部由p i x a r 公司用计算机作图方法制作 的影片) 的基础上，首先实现的计算机合成全息图1 9 9 2 年，美国加州美术工作者 p a u l 和计算机专家m i k e 通过潜心研究发明了称为“h o l u s i o n 3 dp r i n t 的计算机 3 d 立体图，是一种基于视差原理的新的3 d 视觉信息处理，储存和传输手段 数字全息图一般又称计算全息图，有时称数字全息图更为确切【6 6 】，因为这 种全息图不仅是由计算机计算合成的，而且一般常见的为二元全息图，即图像的 光强( 或者相位) 透过率只取0 和1 两个数值，虽然与过度曝光非线性记录的全息 照相非常相似，却又有着本征的区别一全息图为数字化形式 数字全息术也可以无需实际的光路【1 5 】，根据物体的数据得到数学模型，引 入虚拟的物光波和参考光波干涉，产生虚拟的干涉图这种方法快捷方便，无需 光路调校，无需显影定影，便于实时光学信息处理 数字全息图是计算数字、图像学、计算机学和信息光学交叉学科，它的基础 是傅立叶光学理论【刀从形式上大致可分为以下四种： ( 1 ) 像面数字全息图， ( 2 ) 数字全息干涉图， ( 3 ) 位相数字全息图， ( 4 ) 傅立叶变换数字全息图 它们都与相应的光学全息图类似，只是要有计算机根据设计的数学模型来 计算完成一般的数字全息图的制作过程如下：设计与物波数据有关的数学模型 根据模型和其他预定要求进行编程，运算并控制绘制成全息图，光学缩版或程控 光刻并精缩到合适尺寸，光学再现要求的光波波前 9 3 】 7 山东大学硕士学位论文 作为例子，我们在图1 1 1 中示出了傅立叶变换全息图的制作流程 输入位图二维数的数据 产生随机数p n ( m , n ) ( 值为o 1 ) 并进行位相调制 士 二维傅立叶变换运算 记录相位信息的编码运算 0 , o l l i r i a n n 法1 归一化处理全息图单元准确的定位 绘制打印数字全息图 图1 1 1 傅立叶全息图的制作流程 数字全息技术具有广泛的发展前景，它除了大幅度降低激光全息图的制作 成本外，最大的优点是不需要拍摄物体的真实存在由于它在计算机控制下成图， 因而在线密度、深度、方位和形状等可以进行多方面的变换，只要知道反映某一 图像特征的数学模型，就能够按照人的意愿再现出想象的三维图像，这是光学全 息技术无法比拟的优点【6 3 】 数字全息图在工业生产中也具有广泛的应用例如，对于某些大型非球面透 镜的曲率半径，直接测量极其困难而且测量误差也难以控制利用模拟的波面 与参考波干涉，得到数字全息图，与从透镜拍摄的实际全息图对比，可以精确求 出透镜的曲率半径【2 5 ，9 6 ，9 7 ，9 8 】利用数字全息技术可以实现虚拟的三维物体 显示，形成一个虚拟的数字全息场景另外，将全息图逆映射为实现数字全息图 的数字模型和记录编码程序进行存储，可以实现极高密度的体全息数据存储，其 应用前景广阔【2 6 ，2 9 ，3 0 ，3 1 ，4 0 ，6 0 ，6 2 ，6 9 】 8 山东大学硕士学位论文 1 2 数字光学图像加密技术 光学在信息安全领域中的应用研究更多集中在图像加密技术方面与纯数 字加密不同，光学加密不依赖于计算机处理光学系统具有与生俱来的并行处理 能力，如一副二维图像中的每一个象素都可以同时被处理而电子计算机却受限 于串行处理的工作方式，同一时间只能处理一位数据当大量数据需要处理时， 并行处理优势明显 9 0 ，9 1 1 光学数据处理具有更多的自由度，同样信息可以被 隐藏在多个自由度空间中一如相位、波长、空间频率、偏振态等所以，将数字 方法的灵活性与光学的优势相结合成为一种重要的发展趋势研究者已提出了 多种数字光学加密方法：如r 6 疳6 西e r 和j a v i d i 提出用双随机相位编码技术 ( d o u b l er a n d o mp h a s ee n c o d i n gt e c h n i q u e ) 来加密【8 】；丹麦科学家m o g e n s e n 和 g l i i k s t a d 提出一种纯相位( p h a s e o n t y ) 酗j 光学加密方法 3 6 1 ；印度理工学院光子学 研究小组的研究人员提出了二次相位加密技术( q u a d r a t i cp h a s es y s t e m s ，q p s ) 【5 7 】；j o h n s o n 和b r a s h e r 提出了一种应用衍射光学元件( d i f f r a c t i v eo p t i c a l e l e m e n t , d o e ) 的加密方案 8 3 1 ；此外，还有异或加密技术 4 5 ，5 9 1 ；参考波加密 【3 9 ，5 2 】；莫尔条纹加密【4 4 】；光学旋涡加密 6 4 1 ；计算全息图( c g h ) 加密 1 4 ，3 2 】 等，下文将具体介绍几种主要的数字全息光学加密方法 1 3 数字水印技术 随着计算机网络和通讯技术的发展，数字媒体得到广泛的应用，随之而来的 信息安全、知识产权保护和认证问题也日益突出。成为数字世界的一个紧迫的问 题传统的加密系统在传输过程中可以起到保护作用，但数据一旦解密，便无法 保护数字水印作为传统加密方法的有效补充手段，是一种可以在开放网络环境 中保护版权和认证来源及完整性的新技术，近年来已引起了人们的高度重视，并 成为多媒体信号处理领域的一个研究热点 近年来，随着高分辨率c c d 扫描仪、彩色打印复印机的发明和商业化应用。 传统的光学加密方法和系统受到了严峻的挑战数字水印作为传统水印技术的 发展和延续，可以在不被攻击者察觉的情况下对信息进行加密隐藏，起到版权保 9 山东大学硕士学位论文 _ _ _ i _ _ _ - _ _ i _ l i - _ i i _ - _ _ _ - _ l _ l _ i _ _ i _ _ - l _ l l _ _ _ i l _ _ - _ _ 1 日- l _ ! _ - l _ _ 护身份认证的目的 数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 指将某一信号( 一般称之为签字信号) 嵌入 另一信号( 一般称之为宿主信号，或称之为掩护媒体) 的过程，掩护媒体经嵌入信 息后变成一个伪装媒体简单来讲，数字水印即是向数字作品( 图像、声音、视频 信号等) 添加某些特定数字信息以达到作品真伪鉴别、版权保护、拷贝控制等目 的嵌入的水印信息隐藏在宿主文件里，不影响原始文件的可观性和完整性 1 4 密码学简介 1 随着计算机联网的逐步实现，计算机信息的保密问题显得越来越重要数据 保密变换，或密码技术，是对计算机信息进行保护的最实用和最可靠的方法 一、密码学概述 密码学是- - f 古老而深奥的学科，它对一般人来说是陌生的，因为长期以来， 它只在很少的范围内，如军事、外交、情报等部门使用计算机密码学是研究计 算机信息加密、解密及其变换的科学。是数学和计算机的交义学科，也是一门新 兴的学科随着计算机网络和计算机通讯技术的发展，计算机密码学得到前所未 有的重视并迅速普及和发展起来 密码是实现秘密通讯的主要手段。是隐蔽语言、文字、图象的特种符号凡 是用特种符号按照通讯双方约定的方法把电文的原形隐蔽起来，不为第三者所 识别的通讯方式称为密码通讯在计算机通讯中。采用密码技术将信息隐蔽起来， 再将隐蔽后的信息传输出去，使信息在传输过程中即使被窃取或载获，窃取者也 不能了解信息的内容，从而保证信息传输的安全 任何一个加密系统至少包括下面四个组成部分： ( 1 ) 、未加密的报文，也称明文 ( 2 ) 、加密后的报文，也称密文 ( 3 ) 、加密解密设备或算法“ 。 ( 4 ) 、加密解密的密钥 发送方用加密密钥，通过加密设备或算法，将信息加密后发送出去接收方 l o 山东大学硕士学位论文 在收到密文后，用解密密钥将密文解密，恢复为明文如果传输中有人窃取。他 只能得到无法理解的密文，从而对信息起到保密作用 二、密码的分类 从不同的角度根据不同的标准，可以把密码分成若干类 ( 一) 按应用技术或历史发展阶段划分： l 、手工密码以手工完成加密作业，或者以简单器具辅助操作的密码。叫作 手工密码第一次世界大战前主要是这种作业形式 2 、机械密码以机械密码机或电动密码机来完成加解密作业的密码。叫作机 械密码这种密码从第一次世界大战出现到第二次世界大战中得到普遍应用 3 、电子机内乱密码，通过电子电路，以严格的程序进行逻辑运算。以少量制 乱元素生产大量的加密乱数，因为其制乱是在加解密过程中完成的而不需预先 制作，所以称为电子机内乱密码从五十年代末期出现到七十年代广泛应用 4 、计算机密码，是以计算机软件编程进行算法加密为特点，适用于计算机数 据保护和网络通讯等广泛用途的密码 ( 二) 按保密程度划分： l 、理论上保密的密码不管获取多少密文和有多大的计算能力，对明文始终 不能得到唯一解的密码，叫作理论上保密的密码也叫理论不可破的密码如客 观随机一次一密的密码就属于这种 2 、实际上保密的密码在理论上可破，但在现有客观条件下，无法通过计算 来确定唯一解的密码，叫作实际上保密的密码 3 、不保密的密码在获取一定数量的密文后可以得到唯一解的密码，叫作不 保密密码如早期单表代替密码，后来的多表代替密码，以及明文加少量密钥等 密码，现在都成为不保密的密码 ( 三) 、按密钥方式划分： 1 、对称式密码收发双方使用相同密钥的密码，叫作对称式密码传统的密 码都属此类 2 、非对称式密码收发双方使用不同密钥的密码，叫作非对称式密码如现 代密码中的公共密钥密码就属此类 ( 四) 按明文形态： 山东大学硕士学位论文 l 、模拟型密码用以加密模拟信息如对动态范围之内，连续变化的语音信 号加密的密码，叫作模拟式密码 2 、数字型密码用于加密数字信息对两个离散电平构成0 、l 二进制关系 的电报信息加密的密码叫作数字型密码 ( 五) 按编制原理划分： 可分为移位、代替和置换三种以及它们的组合形式古今中外的密码，不论 其形态多么繁杂，变化多么巧妙，都是按照这三种基本原理编制出来的移位、 代替和置换这三种原理在密码编制和使用中相互结合，灵活应用 1 5 本论文的主要内容 由于数字全息的灵活性，我们将其应用于数字图像加密领域本论文在分析 及借鉴已有方法的基础上，提出了一系列新的数字图像加密及水印技术，主要包 括以下几个方面： ( 1 ) 在第二章中，将双相位板调制与三步相移干涉术结合，对图像实现了加 密；并引入水印技术隐藏加密图像 ( 2 ) 在第三章中，利用随机相位板匹配，实现了用同一套传输数据对多幅图 像的同时加密，它可以大大提高传输图像的利用率 ( 3 ) 在第四章中，我们分别对只利用加密衍射场的实部、虚部和相位图恢复原 图像的效果进行了系统的比较研究，发现相位图携带更多的原图像信息，恢复效 果最好基于这一事实，我们提出了纯相位图像加密及水印技术，它可以显著降 低处理和传输所需