CN100495125C - 实时光学图像加密方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种实时光学图像加密方法和装置，该方法的实质是利用线偏光作原始光学图像信息的载波，该载有光学图像信息的线偏光与加密体相互作用，最后与相干光干涉加密形成加密的相干光进入传输；解密过程则利用可逆的光学原理，加密的相干光被光折变晶体接收后逆序地与相干光、所述的加密体相互作用后在解密装置的图像输出面由一探测器获取解密的图像信息，所述的加密体，至少包括一个计算机可控的空间光调制器。本发明的实时光学图像加密方法和装置具有加密安全性高，可实现实时光学图像加密的优点。

Description

实时光学图像加密方法和装置
技术领域
本发明涉及网络通讯，特别是一种实时光学图像加密方法和装置，具体涉及一种利用光的偏振态实时加密图像信息的光学方法和装置。
背景技术
自70年代发明模压全息技术以来，全息图被制作成防伪标识广泛应用于各种证件和信用卡的产品中。但是，随着计算机技术的发展和光探测器CCD的普遍应用，普通的全息图被仿制的现象越来越严重。随着现代网络技术的发展，网络信息安全也越来越受到人们的重视。光学信息处理技术由于其高处理速度、高并行性、高加密维度以及大空间带宽等各方面的优点，在信息安全领域显示出巨大的应用价值。
利用双随机相位板加密光学图像信息，已有技术文献[P.Refregier，B.Javidi.Optical image encryption based on input plane and Fourier planerandom encoding[J].Opt.Lett.，1995，20(7)：767-769]报道，可以将原始图像加密成统计无关的白噪声。在这个加密系统中，采用了一个标准的4f光学处理系统。两块随机相位板分别被放置在输入面和频谱面，待加密的原始图像紧贴输入面的随机相位板上。在相干光源的照射下，在输出面将得到加密后的图像信息。此加密后的图像信息可以记录或者进行光路传输。解密过程同样采用4f光学处理系统，在频谱面放置加密时的共轭相位板，在输出面利用光探测器CCD得到原始的实图像信息。
为了克服上述加密系统对相位板定位要求太高，以及解密时要求在频谱面放置共轭相位板等缺点，提出了联合变换相关加密技术。它是将待加密的图像与随机相位板并排放置在输入面，在频谱面得到加密后的图像信息。解密过程采用同一块相位板，在输出面的特定位置得到解密图像。但是，这种加密技术在解密过程中仍然采用了4f光学处理系统，因此还是要求具有很高的定位精度。而且，这种加密技术只能进行单幅图像的加密和解密操作。
为了改进光学图像加密技术，又提出了其他的加密方法，如全相位加密、分数傅里叶变换加密以及菲涅尔域的光学图像加密等等。这些技术采用光折变晶体来存储加密后的图像信息。解密时利用光折变晶体产生的共轭光，从而简化了解密装置。但是，这些加密技术都只能对一幅或者几幅图像进行加密。而且，有些加密系统还存在精确定位的问题；有些加密技术在主动密文攻击下，作为密匙的随机相位板能被完全破译，安全性令人怀疑。同时，随着通讯技术的不断发展，实时的光学信息传输将成为未来光网络的发展方向。如何对传输的光学信息进行实时加密是一个需要解决的重要的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种实时光学图像加密方法和装置，以提高加密系统安全性并实现对光学图像进行实时加密。
本发明的技术解决方案如下：
一种实时光学图像加密方法，该方法的实质是利用线偏光作原始光学图像信息的载波，该载有光学图像信息的线偏光与加密体相互作用，最后与相干光干涉加密形成加密的相干光进入传输；解密过程则利用可逆的光学原理，加密的相干光被光折变晶体接收后逆序地与相干光、所述的加密体相互作用后在解密装置的图像输出面由一探测器获取解密的图像信息，所述的加密体，由沿光路设置的随机相位板、透镜、计算机控制的空间光调制器和另一随机相位板构成。
一种实时光学图像加密装置，包括一光学图像加密装置和一光学图像解密装置：
所述的光学图像加密装置的构成：包括第一激光器，沿该第一激光器的激光输出方向依次是第一扩束镜和分束镜)，该分束镜将激光束分成透射光束和反射光束，在该分束镜的透射光束方向依次为偏振棱镜、加密装置图像的信息面、第一透镜、第一空间光调制器、加密装置图像输出面；该分束镜的反射光束方向上有第二反射镜，经过该第二反射镜反射后的参考光束照射在所述的加密装置的图像输出面，与所述的图像输出面上的加密后的图像信息光束重合；
所述的光学图像解密装置的构成包括：第二激光器、沿第二激光器的激光输出方向依次是第二扩束镜、光开光、光折变晶体、第二空间光调制器、第二透镜和解密装置图像输出面的光探测器，所述的光折变晶体位置相当于所述的光学图像加密装置的加密装置图像输出面，所述的光探测器位置相当于加密装置图像的信息面；第二激光器发出的光束经第二扩束镜、光开光后以与所述的光学图像加密装置的参考光照射在所述的加密装置的图像输出面的入射角互补的角度入射至所述的光折变晶体。
所述的第二空间光调制器和第一空间光调制器是计算机可控的，具有相同的结构和相同的调制函数，所述的第二激光器与第一激光器相同。
在所述的加密装置的图像信息面和图像输出面之间还设有多个相同的或不相同的随机相位板，所述的随机相位板是相位呈随机分布的模板，对通过它的光线的相位部分有调制作用，提高了加密系统的加密维度；在所述的解密装置中，在所述的解密装置图像输出面和光折变晶体之间与所述的加密装置中的对应位置设有相同的随机相位板。
在所述的加密装置的图像信息面和第一透镜之间有第一随机相位板紧贴在所述的图像信息面内；在所述的解密装置中，在所述的解密装置图像输出面和第二透镜之间有与第一随机相位板相同的第三随机相位板紧贴在所述的解密装置图像输出面的内侧。
在所述的第一透镜的后焦面上设有第二随机相位板，在解密装置中，在第二空间光调制器与光折变晶体之间的第二透镜的焦面上设有与第二随机相位板相同的第四随机相位板。
所述的光探测器为CCD探测器。
所述的空间光调制器为电寻址控制空间光调制器，或光寻址控制空间光调制器。
电寻址控制空间光调制器是利用电信号实时地动态控制光学图像的每个像素的相位延迟，即动态地控制通过该空间光调制器上各像素的相干光的偏振态。光寻址控制空间光调制器，即利用光信号来实时地控制光学图像的每个像素的相位延迟。
本发明装置的工作过程如下：
在加密过程中，第一激光器发出的激光首先被扩束镜进行扩束，扩束后的激光经过分束镜被分为两束：其中一束透射光经过偏振棱镜变成线偏振光，由偏振棱镜产生的线偏光照射于原始图像的输入面，该携带原始图像信息的线偏光经过透镜传播到其后某一位置放置的第一空间光调制器，此第一空间光调制器载计算机的控制下通过以一定的时间和空间函数关系来调制所述的图像信息的每个像素的相位延迟，即偏振态被该空间光调制器所调制，对原始图像信息的线偏光进行了加密，形成加密图像信息光；另一反射光束作为参考光束，以某个角度与所述的加密图像信息光进行干涉，然后进入传输。所述的空间光调制器的时间和空间的函数关系在解密过程中为解密的密匙。偏振态调制过程如图3所示，图中a是携带原始图像信息的线偏光，b是空间光调制器对其各像素进行的调制函数，c是线偏光被空间光调制器调制后的偏振态。而且，图像信息每个像素的偏振态是随着空间光调制器的动态调制而不断变化的，即不同的时刻具有不同的偏振态。最后，被调制加密后的图像信息在加密系统输出面与参考光束相干涉，干涉图像形成一片白噪声并通过光路进行传输。
要获得解密的图像信息，应将加密后的图像信息传输到对应的解密装置进行解密。其解密过程的实质是图像信息加密的恢复过程。解密装置与加密装置具有相似的结构，光束的传播方向相反。在解密装置的输入面，即相当于原加密装置的输出面放置一光折变晶体，当一相干光束逆向照射该光折变晶体时便产生加密图像信息的共轭光。在解密装置的图像输出面，也就是相当于原加密装置的图像输入面，放置一光探测器对解密图像进行观察和记录。该解密装置的工作过程是：由光路传输过来的加密图像信息到达解密装置时，解密装置由光传感器得知信息的到达。传输过来加密图像信息的光首先从解密装置的内侧斜照射在光折变晶体上，将加密图像信息记录在光折变晶体中。同时，光开关打开，将与加密时参考光传播方向相反的相干光束照射所述的光折变晶体的另一侧，构成该光折变晶体产生记录的加密图像信息的共轭光。该解密装置同步控制所述的光开关和空间光调制器，所述的光开关以一定的频率动作，空间光调制器同步的按加密时的时间和空间函数关系调制传播过来的所述共轭光的每个像素的相位延迟。使加密后的图像信息的偏振态正确恢复到加密前的线偏光状态，最后在输出面CCD上得到原始图像的信息。
本发明的优点在于：可实现实时的光学图像加密，而不仅仅局限于对单幅光学图像的加密。光学图像加密系统的安全性高，利用相干光偏振态的动态调制来加密实时的光学图像信息，即对于不同时刻的光学图像采用不同的偏振态来进行加密，提高了系统的安全性，运用各种主动攻击方法都难以破解本加密信息。当然本发明也可以运用于现有的其它光学图像加密系统中。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是本发明实时的光学图像加密装置实施例的结构示意图。
图2是实时的光学图像解密装置实施例的结构示意图。
图3是线偏光经过空间光调制器后偏振态变化的示意图。
图中：101—第一激光器，201—第二激光器，102—第一扩束镜、202—第二扩束镜，103—第—反射镜、111—第二反射镜、203—第三反射镜，104—分束镜，105—偏振棱镜，106—加密装置原始图像信息面，112—加密装置加密图像输出面，107—第一随机相位板、110—第二随机相位板，209—第三随机相位板，206—第四随机相位板，108、208—透镜，109—第—空间光调制器，207—第二空间光调制器，205—光折变晶体，210—光探测器CCD，112—加密图像输出面，204—光开关，a—线偏光，b—空间光调制器调制，c—线偏光被调制后的偏振态。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参见图1，图1是本发明实时光学图像加密装置实施例的结构示意图。由图可见，本发明实时光学图像加密装置，包括一光学图像加密装置1和一光学图像解密装置2，其特征在于：
所述的光学图像加密装置1的构成包括：第一激光器101，沿该第一激光器101的激光输出方向依次是扩束镜102和分束镜104，该分束镜104将激光束分成透射光束和反射光束，在该分束镜104的透射方向依次为偏振棱镜105、加密装置图像的信息面106、第一透镜108、第一空间光调制器109、加密装置图像输出面112；该分束镜104的反射光方向上有一反射镜111，经过该反射镜111反射后的参考光束照射在所述的加密装置的图像输出面112，与所述的图像输出面112上的加密后的图像信息光束重合相干；
所述的光学图像解密装置的构成：包括第二激光器201、沿第二激光器201的激光输出方向依次是第二扩束镜202、光开光204、光折变晶体205、第二空间光调制器207、第二透镜208和解密装置图像输出面的光探测器210，所述的光折变晶体205位置相当于所述的光学图像加密装置1的加密装置图像输出面112，所述的光探测器210位置相当于加密装置图像的信息面106；第二激光器201发出的光束经第二扩束镜202、光开光204后以与所述的光学图像加密装置1的参考光束照射在所述的加密装置的图像输出面112的入射角互补的角度入射至所述的光折变晶体205上。
所述的第二空间光调制器207和第一空间光调制器109是计算机(图中未示)可控的具有相同的结构和相同的调制函数，所述的第二激光器201与第一激光器101相同。
在本实施例中，所述的加密装置的图像信息面106和第一透镜108之间还有第一随机相位板107紧贴在所述的图像信息面106内；在所述的解密装置中，在所述的解密装置图像输出面210和第二透镜208之间有与第一随机相位板107相同的第三随机相位板209紧贴在所述的解密装置图像输出面210的内侧。在所述的第一透镜108的后焦面上设有第二随机相位板110，在解密装置中，在第二空间光调制器207与光折变晶体205之间的第二透镜208的焦面上设有与第二随机相位板110相同的第四随机相位板206。在所述的光探测器210为CCD探测器。所述的空间光调制器均为电寻址控制空间光调制器。
在本实施例的加密装置中，我们将第一随机相位板107紧贴在图像的信息面106的内侧，放置在第一透镜108的前面。输入面图像信息是实时变化的，采用移动有图像信息的胶片来实现，也可以采用LCD液晶面板来产生实时图像信息。在第一透镜108后，我们放置第一空间光调制器109，采用holoeye公司的液晶空间光调制器LC-2002，该空间光调制器采用电寻址，对每个像素的相位延迟通过计算机以一定的时间和空间函数关系来控制。在第一透镜108的后焦面上放置了第二随机相位板110，两块随机相位板106、110是由计算机生成的，相位分布是随机变化的模板。
本实时光学图像加密装置实施例的工作过程是：第一激光器101发出的激光首先用第一扩束镜102进行扩束，扩束后光束的大小与输入图像信息面106的大小相匹配。扩束后的激光经过第一反射镜103反射，使光路结构更加紧凑，第一反射镜103与水平面成135°角。该第一反射镜103的反射光传播到与水平面成45°角的分束镜104，被分束镜104分为反射光束和透射光束。其中透射光束传播经过偏振棱镜105后变成线偏光，该线偏光，经过加密装置图像信息面106后，成为携带图像信息的线偏光经过第一随机相位板107和第一透镜108传播到第一空间光调制器109处，其偏振态被第一空间光调制器109所调制，如图3所示。调制后的光线再通过第二块随机相位板110，至加密系统的图像输出面112；另一方面，分束镜104的反射光束作为参考光束，传播到第二反射镜111后，以与水平线成60°方位角照射到加密图像输出面112上，该第二反射镜111与水平面成30°角。该参考光束在所述的图像输出面112上加密的图像信息进行干涉再加密，形成的干涉图像即为加密后的图像信息，其成像为一片白噪声。该加密后的图像通过光路进行传输。
加密后图像的解密过程为原始图像信息的恢复过程。在解密装置中，我们采用与加密系统相似的装置，但光线传播方向相反。在解密装置的输入面，即相当于加密装置的输出面放置一光折变晶体205(LiNbO3:Fe)，用以产生加密图像信息的共轭光。在解密装置的图像输出面，也就是相当于加密装置的图像输入面，放置一光探测器CCD 210对解密图像进行观察和记录，光开关204放置在第三反射镜203与光折变晶体205之间的光路上，以每秒30次的频率控制光线的开合，如图2所示。由光路传输过来的光到达解密装置后，解密系统由光传感器得知信息的到达，并同步控制光开关204和第二空间光调制器207的工作。解密时，由第二激光器201发出的激光同样先经过第二扩束镜202进行扩束，再用第三反射镜203将与加密时参考光传播方向相反的一束光向光折变晶体205照射，第三反射镜203与水平面成120°角。由光路传输过来的光信息首先斜照射在光折变晶体205的解密装置内侧，则传输过来的图像信息被记录在光折变晶体205中。此时光开关204打开，将与加密时参考光传播方向相反的一束相干光照射在光折变晶体205的另一侧，该光折变晶体205产生记录的加密图像信息的共轭光。该共轭光经过第四随机相位板206后传播到第二空间光调制器207时，第二空间光调制器207同步的按加密时的时间和空间函数关系调制其每个像素的相位延迟，从而将加密后的图像信息的偏振态调制回加密前的线偏光状态。最后在解密装置图像输出面的光探测器CCD210上获得解密的原始图像信息。

Claims (4)

1、一种实时光学图像加密方法，其特征在于该方法的实质是利用线偏光作原始光学图像信息的载波，该载有光学图像信息的线偏光与加密体相互作用，最后与相干光干涉加密形成加密的相干光进入传输；解密过程则利用可逆的光学原理，加密的相干光被光折变晶体接收后逆序地与相干光、所述的加密体相互作用后在解密装置的图像输出面由一探测器获取解密的图像信息，所述的加密体，由沿光路设置的随机相位板、透镜、计算机控制的空间光调制器和另一随机相位板构成。
2、一种实施权利要求1所述的实时光学图像加密方法的实时光学图像加密装置，包括一光学图像加密装置(1)和一光学图像解密装置(2)，其特征在于：
所述的光学图像加密装置(1)的构成：包括第一激光器(101)，沿该第一激光器(101)的激光输出方向依次是第一扩束镜(102)和分束镜(104)，该分束镜(104)将激光束分成透射光束和反射光束，在该分束镜(104)的透射光束方向依次为偏振棱镜(105)、加密装置图像的信息面(106)、第一透镜(108)、第一空间光调制器(109)、加密装置图像输出面(112)；该分束镜(104)的反射光束方向上有第二反射镜(111)，经过该第二反射镜(111)反射后的参考光束照射在所述的加密装置的图像输出面(112)，与所述的图像输出面(112)上的加密后的图像信息光束重合；
所述的光学图像解密装置的构成：包括第二激光器(201)、沿第二激光器(201)的激光输出方向依次是第二扩束镜(202)、光开光(204)、光折变晶体(205)、第二空间光调制器(207)、第二透镜(208)和解密装置图像输出面的光探测器(210)，所述的光折变晶体(205)位置相当于所述的光学图像加密装置(1)的加密装置图像输出面(112)，所述的光探测器(210)位置相当于加密装置图像的信息面(106)；第二激光器(201)发出的光束经第二扩束镜(202)、光开光(204)后以与所述的光学图像加密装置(1)中的参考光照射在所述的加密装置的图像输出面(112)的入射角互补的角度入射至所述的光折变晶体(205)上；
所述的第二空间光调制器(207)和第一空间光调制器(109)是计算机可控的，具有相同的结构和相同的调制函数，所述的第二激光器(201)与第一激光器(101)相同：
在所述的加密装置的图像信息面(106)和第一透镜(108)之间有第一随机相位板(107)紧贴在所述的图像信息面(106)内；在所述的解密装置图像输出面(210)和第二透镜(208)之间有与第一随机相位板(107)相同的第三随机相位板(209)紧贴在所述的解密装置图像输出面(210)的内侧；
在所述的第一透镜(108)的后焦面上设有第二随机相位板(110)，在解密装置中，在第二空间光调制器(207)与光折变晶体(205)之间的第二透镜(208)的焦面上设有与第二随机相位板(110)相同的第四随机相位板(206)。
3、根据权利要求2所述的实时光学图像加密装置，其特征在于所述的光探测器(210)为CCD探测器。
4、根据权利要求2或3所述的实时光学图像加密装置，其特征在于所述的空间光调制器为电寻址控制空间光调制器，或光寻址控制空间光调制器。
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