CN112329027A - 基于光学全息的混合信息加密装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一套基于光学全息的混合信息加密装置和系统，具体涉及光学加密领域。该装置包括计算机、信息加密模块和信息解密模块，信息加密模块由空间光调制器、激光器、衰减片、扩束镜、准直镜、分光镜、反射镜、合束镜、随机相位掩膜、傅里叶透镜和CCD构成，信息解密模块双随机相位掩膜是加密模块的共轭，其余元件与加密模块相同。计算机将音频转化为二维声图后与视图拼接分块，得到待加密图像，将其输入加密模块加密，得到加密图。解密模块对加密图进行解密处理，由计算机显示并播放图片和音频信息。本发明采用数字全息和双随机相位加密原理，对图像与音频信息拼接分块，实现图像与音频不同维度信息的混合加密与解密，并有效提高系统安全性。
Description
技术领域
本项目涉及光学加密领域，主要涉及一种基于光学全息的混合信息加密装置。
背景技术
随着云计算、物联网等技术的高速发展，目前我国已进入互联网大数据时代。如何保证大数据环境下通信传输过程中用户的信息安全，成为当今信息技术领域的一个研究热点。光学加密技术是利用光学变换对明文的内在信息进行扰乱编码而实现的信息加密技术，因其具有高速并行性、复用容量大、多自由度等优点，迅速发展成为信息安全领域中重要的加密手段。目前传统光学加密技术的研究主要通过设计复杂光路系统和优化加密算法来提高系统的保密性，并未对信息类型进行拓展，只能实现图像或音频单一类型信息加密，无法满足音视频等多类型信息的混合加密需求，在重要远程会议等特殊应用场合受到限制，传统的基于菲涅尔衍射或数字全息的双随机相位加密系统具有线性性质，安全性低，易受攻击，且系统仅使用固有光学结构参数作为密钥，密钥维度和复杂度有限，破译者利用明文-密文对即可推导得到解密密钥。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有加密技术中的不足，提供一种基于光学全息的混合信息加密装置，以解决现有技术中只能对图像或音频单一信息类型加密，无法实现多类型信息混合加密的问题，并提高加密系统的安全性。
为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：本申请提供一种基于光学全息的混合信息加密装置，该装置包括计算机，信息加密模块和信息解密模块，计算机包括加密方计算机和解密方计算机，信息加密模块由空间光调制器、激光器、衰减片、扩束镜、准直镜、分束镜、第一反射镜、第二反射镜、合束镜、第一随机相位掩膜、第二随机相位掩膜、第一傅里叶透镜、第二傅里叶透镜和CCD构成，在加密模块中，激光器、衰减片、扩束镜、准直镜、分束镜和第一反射镜依次设置在激光器发射激光所在的光路上，分束镜将准直镜透射过的光分成水平和垂直的两束光，第二反射镜设置在垂直的光路上，且第二反射镜设置与分束镜平行。分束镜、第一反射镜、第二反射镜、合束镜形成矩形光路，且第二反射镜与第一反射镜成对角，合束镜与分束镜成对角，第二反射镜、合束镜、第一随机相位掩膜、第一傅里叶透镜、第二随机相位掩膜、第二傅里叶透镜、CCD依次设置在光路上，且第一随机相位掩膜、第一傅里叶透镜、第二随机相位掩膜、第二傅里叶透镜、CCD之间间距相等，空间光调制器与加密方计算机相连，并置于第二反射镜和合束镜之间；
解密模块由空间光调制器、激光器、衰减片、扩束镜、准直镜、分束镜、第三反射镜、第四反射镜、合束镜、第三随机相位掩膜、第四随机相位掩膜、第三傅里叶透镜、第四傅里叶透镜和CCD构成，激光器、衰减片、扩束镜、准直镜、分束镜、第三傅里叶透镜、第四随机相位掩膜、第四傅里叶透镜、第三随机相位掩膜、合束镜、CCD依次设置在激光器发射激光光路上，各间距与加密光路相同，分束镜、第三反射镜、第四反射镜、合束镜形成矩形光路，第三反射镜与合束镜成对角，第四反射镜与分束镜成对角，空间光调制器与解密方计算机连接，置于分束镜和第三傅里叶透镜之间。
可选的，激光器为He-Ne激光器，发射波长为632.8nm的激光。利用He-Ne激光器发射的激光是纯净的单色光，线宽极窄，波长误差只有几纳米，具有极大的相干长度。
可选的， 激光器发射的激光经分束镜分为物光和参考光，参考光的入射角度是可调节的，其调节范围在0到3.48°之间，在此范围内调节，可有效保障加密信息的完整性。
可选的，在信息加密模块中，第一随机相位掩膜与第二随机相位掩膜互不相关，且分别放置在输入平面和傅里叶频谱面上，信息解密模块中第三随机相位掩膜、第四随机相位掩膜分别是第一随机相位掩膜和第二随机相位掩膜的共轭，且位置互换。
可选的，合束镜与第一随机相位掩膜的距离z的调节范围在0.1m到0.4m之间，在此范围内调节，可有效记录全息图且保障加密信息的完整。
可选的，利用计算机将音频转化为二维声图，并与视图拼接，将拼接后的图像进行方阵分块处理得到待加密图像，再放入加密装置中利用数字全息、菲涅尔衍射和双随机相位编码三种加密技术进行加密，最终得到白噪声加密图。
可选的，第一傅里叶透镜、第二傅里叶透镜、第三傅里叶透镜、第四傅里叶透镜的焦距均为100mm。
可选的，第一随机相位掩膜、第一傅里叶透镜、第二随机相位掩膜，第二傅里叶透镜、CCD之间间距相等，均为100mm。
可选的，利用衰减器替换衰减片，可随时调整衰减的光强大小，方便操作。
可选的，在基础反射镜上镀一层金属银(或铝)薄膜，减少光的透射率，提高反射率。
本发明的有益效果是：
本申请提供一种基于光学全息的混合信息加密装置。该装置包括计算机，信息加密模块和信息解密模块，计算机包括加密方计算机和解密方计算机，信息加密模块由空间光调制器、激光器、衰减片、扩束镜、准直镜、分束镜、第一反射镜、第二反射镜、合束镜、第一随机相位掩膜、第二随机相位掩膜、第一傅里叶透镜、第二傅里叶透镜和CCD构成，在加密模块中，激光器、衰减片、扩束镜、准直镜、分束镜和第一反射镜依次设置在激光器发射激光所在的光路上，分束镜将准直镜透射过的光分成水平和垂直的两束光，第二反射镜设置在垂直的光路上，且第二反射镜设置与分束镜平行。分束镜、第一反射镜、第二反射镜、合束镜形成矩形光路，且第二反射镜与第一反射镜成对角，合束镜与分束镜成对角，第二反射镜、合束镜、第一随机相位掩膜、第一傅里叶透镜、第二随机相位掩膜、第二傅里叶透镜、CCD依次设置在光路上，且第一随机相位掩膜、第一傅里叶透镜、第二随机相位掩膜、第二傅里叶透镜、CCD之间间距相等，空间光调制器与加密方计算机相连，并置于第二反射镜和合束镜之间；信息解密模块由空间光调制器、激光器、衰减片、扩束镜、准直镜、分束镜、第三反射镜、第四反射镜、合束镜、第三随机相位掩膜、第四随机相位掩膜、第三傅里叶透镜、第四傅里叶透镜和CCD构成，激光器、衰减片、扩束镜、准直镜、分束镜、第三傅里叶透镜、第四随机相位掩膜、第四傅里叶透镜、第三随机相位掩膜、合束镜、CCD依次设置在激光器发射激光光路上，各间距与加密光路相同，分束镜、第三反射镜、第四反射镜、合束镜形成矩形光路，第三反射镜与合束镜成对角，第四反射镜与分束镜成对角，空间光调制器与解密方计算机连接，置于分束镜和第三傅里叶透镜之间。为实现不同维度信息的混合处理，加密方计算机将音频转化为二维声图后与视图拼接，将拼接图像进行方阵分块处理，得到待加密图像，并将其输入加密模块，通过数字全息加密光路得到全息图，经菲涅尔衍射后再通过光学4f系统进行加密处理，得到白噪声加密图。解密是加密的逆过程，信息解密模块通过衍射再现和双随机相位解密得到解密图，由计算机显示并播放图片和音频信息。本发明采用数字全息和双随机相位加密原理，计算机先将音频转化为二维声图，将声图与视图进行拼接得到非方阵图像，再进行方阵分块处理得到待加密图，避免直接压缩非方阵图像时造成的信息丢失，在实现图像与音频不同维度信息混合加密与解密的同时，保护了待加密信息的完整性，提高了信息加密效率和信息传输质量。综合利用数字全息、菲涅尔衍射和双随机相位编码三种加密方式，且三种加密方式顺序自由选择，加密顺序与衍射距离、入射光角度、随机相位掩膜等多种光学结构参数作为密钥，极大的提高了加密系统的抗攻击能力和安全性能。通过计算机进行数字全息、菲涅尔衍射和双随机相位加密的相关运算，对一段音视频进行了混合处理、加密和解密过程的仿真，图3、4、5、6为部分仿真结果图，理论上验证了本发明对音视频混合信息加密的良好效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为发明实施例提供的一种基于光学全息的混合信息加密装置结构示意图。
图2为发明实施例提供的一种基于光学全息的混合信息加密装置结构的加密流程图。
图3、4、5、6为发明实施例提供的一种基于光学全息的混合信息加密装置部分仿真结果图。
图标：100-计算机；200-信息加密模块；300-信息解密模块；101-加密方计算机；102-解密方计算机；201-空间光调制器；202-激光器；203-衰减片；204-扩束镜；205-准直镜；206-第二反射镜；207-分束镜；208-第一反射镜；209-合束镜；210-第一随机相位掩膜；211-第一傅里叶透镜；212-第二随机相位掩膜；213-第二傅里叶透镜；214-CCD；301-空间光调制器；302-激光器；303-衰减片；304-扩束镜；305-准直镜；306-分束镜；307-第三反射镜；308-第四反射镜；309-合束镜；310-第三傅里叶透镜；311-第四随机相位掩膜；312-第四傅里叶透镜；313-第三随机相位掩膜；314-CCD。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了使本发明的实施过程更加清楚，下面将会结合附图进行详细说明。
本申请提供一种基于光学全息的混合信息加密装置，加密系统由计算机100、信息加密模块200和信息解密模块300构成，计算机100包括加密方计算机101和解密方计算机102，信息解密模块200由空间光调制器201、激光器202、衰减片203、扩束镜204、准直镜205、分束镜207、第一反射镜208、第二反射镜206，合束镜209、第一随机相位掩膜210、第二随机相位掩膜212，第一傅里叶透镜211、第二傅里叶透镜213和CCD214构成，在信息加密模块200中，激光器202、衰减片203、扩束镜204、准直镜205、分束镜207和第一反射镜208依次设置在激光器202发射激光所在的光路上，分束镜207将准直镜205透射过的光分成水平和垂直的两束光，第二反射镜206设置在垂直的光路上，且第二反射镜206设置与分束镜207平行。分束镜207、第一反射镜208、第二反射镜206、合束镜209形成矩形光路，且第二反射镜206与第一反射镜208成对角，合束镜209与分束镜207成对角，第二反射镜206、合束镜209、第一随机相位掩膜210、第一傅里叶透镜211、第二随机相位掩膜212、第二傅里叶透镜213、CCD214依次设置在光路上，且第一随机相位掩膜210、第一傅里叶透镜211、第二随机相位掩膜212、第二傅里叶透镜213、CCD214之间间距相等，空间光调制器201与加密方计算机101相连，并置于第二反射镜206和合束镜209之间；信息解密模块300由空间光调制器301、激光器302、衰减片303、扩束镜304、准直镜305、分束镜306、第三反射镜307、第四反射镜308、合束镜309、第三随机相位掩膜311、第四随机相位掩膜313、第三傅里叶透镜310、第四傅里叶透镜312和CCD314构成，激光器302、衰减片303、扩束镜304、准直镜305、分束镜306、第三傅里叶透镜310、第四随机相位掩膜311、第四傅里叶透镜312、第三随机相位掩膜313、合束镜309、CCD314依次设置在激光器发射激光光路上，各间距与加密光路相同，分束镜306、第三反射镜307、第四反射镜308、合束镜309形成矩形光路，第三反射镜307与合束镜309成对角，第四反射镜308与分束镜306成对角，空间光调制器301与解密方计算机102连接，置于分束镜306和第三傅里叶透镜310之间。 加密时，加密方计算机101将待加密图像加载到空间光调制器201，激光器202发射激光，经衰减片203、扩束镜204、准直镜205后，形成一个亮度合适、宽度恰好的均匀平行光束，再经分束镜207分成两束相干的物光和参考光，物光经空间光调制器201调制后，携带待加密图像信息，并在合束镜209处与参考光进行叠加干涉得到一次加密的全息图，经衍射距离z的菲涅尔衍射后，得到的衍射图像在空域与第一随机相位掩膜210叠加，通过第一傅里叶透镜211进行一次傅里叶变换，在频域与放置在第一傅里叶透镜211后焦面的第二随机相位掩膜212相乘，经第二傅里叶透镜213进行一次逆傅里叶变换，最终在CCD214上采集到加密图，传入加密方计算机101并将其发送至解密方计算机102。利用CCD214光电探测器件作为一种全息的记录介质直接记录数字化的全息图像，数字化的全息图可以方便的存储在计算机里，便于传输和保存；解密方计算机102得到加密图后，由解密方计算机102将加密图加载到空间光调制器301上，引入单位振幅的垂直入射光，由分束镜306分成两束相干的物光和参考光，物光经空间光调制器301后，携带加密图信息，进入4f系统进行解密还原。首先在频谱面与第四随机相位掩膜311的相位函数共轭相乘，经过傅里叶逆变换后再与第三随机相位掩膜313的相位函数共轭相乘，得到解密后的图像，经菲涅尔衍射后与参考光干涉叠加，由CCD314获取解密图，并传入解密方计算机102进行解密显示。
名词解释，物光为激光光源照射到物体产生的漫反射光，包含了物体信息。这里的物光指经空间光调制器调制后的光。
可选的，激光器202、激光器302为He-Ne激光器，发射波长为632.8nm的激光。利用He-Ne激光器发射的激光是纯净的单色光，线宽极窄，波长误差只有几纳米，具有极大的相干长度。
可选的，激光器202、激光器302发射的激光经分束镜207、分束镜306分为物光和参考光，参考光的入射角度是可调节的，其调节范围在0到3.48°之间，在此范围内调节，可有效保障加密信息的完整性。
可选的，在信息加密模块200中，第一随机相位掩膜210与第二随机相位掩膜212互不相关，且分别放置在输入平面和傅里叶频谱面上，信息解密模块300中第三随机相位掩膜311、第四随机相位掩膜313分别是第一随机相位掩膜210和第二随机相位掩膜212的共轭，且位置互换。
可选的，合束镜209与第一随机相位掩膜210的距离z的调节范围在0.1m到0.4m之间，在此范围内调节，可有效记录全息图且保障加密信息的完整。
可选的，利用加密方计算机101将音频转化为二维声图，并与视图拼接，将拼接后的图像进行方阵分块处理得到待加密图像，再放入加密装置中利用数字全息、菲涅尔衍射和双随机相位编码三种加密技术进行加密，最终得到白噪声加密图。
可选的，第一傅里叶透镜211、第二傅里叶透镜213、第三傅里叶透镜310、第四傅里叶透镜312的焦距均为100nm。
可选的，第一随机相位掩膜210、第一傅里叶透镜211、第二随机相位掩膜212，第二傅里叶透镜213、CCD214之间间距相等，均为100mm。
可选的，利用衰减器替换衰减片，可随时调整衰减的光强大小，方便操作。
可选的，在基础反射镜上镀一层金属银(或铝)薄膜，减少光的透射率，提高反射率。
本发明涉及基于光学全息的混合信息加密装置，采用数字全息和双随机相位加密，实现图像与音频多类型信息的混合加密与解密，能够满足实际情况中对复杂信息的加密需求。计算机101先将音频转化为二维声图，将声图与视图进行拼接得到非方阵图像，再进行方阵分块处理得到待加密图，避免直接压缩非方阵图像时造成的信息丢失，在实现图像与音频不同维度信息混合加密与解密的同时，保护了待加密信息的完整性，提高了信息加密效率和信息传输质量。菲涅尔衍射、数字全息和双随机相位编码三种加密技术的加密顺序可自由选择，只有在衍射距离、入射光角度和加密顺序等多种密钥均正确的情况下才能解密出原始信息，极大的提高了加密信息的抗攻击能力和安全性能。
Claims (10)
1.一种基于光学全息的混合信息加密装置，其特征在于，所述装置包括：计算机，信息加密模块和信息解密模块，计算机包括加密方计算机和解密方计算机，信息加密模块由空间光调制器、激光器、衰减片、扩束镜、准直镜、分束镜、第一反射镜、第二反射镜、合束镜、第一随机相位掩膜、第二随机相位掩膜、第一傅里叶透镜、第二傅里叶透镜和CCD构成，在加密模块中，所述激光器、所述衰减片、所述扩束镜、所述准直镜、所述分束镜和所述第一反射镜依次设置在激光器发射激光所在的光路上，所述分束镜将所述准直镜透射过的光分成水平和垂直的两束光，所述第二反射镜设置在垂直的光路上，且所述第二反射镜设置与所述分束镜平行；所述分束镜、所述第一反射镜、所述第二反射镜、所述合束镜形成矩形光路，且所述第二反射镜与所述第一反射镜成对角，所述合束镜与所述分束镜成对角，所述第二反射镜、所述合束镜、所述第一随机相位掩膜、所述第一傅里叶透镜、所述第二随机相位掩膜、所述第二傅里叶透镜、所述CCD依次设置在光路上，所述第一随机相位掩膜、所述第一傅里叶透镜、所述第二随机相位掩膜、所述第二傅里叶透镜、所述CCD之间间距相等，所述空间光调制器与所述加密方计算机相连，并置于所述第二反射镜和所述合束镜之间；所述解密模块由空间光调制器、激光器、衰减片、扩束镜、准直镜、分束镜、第三反射镜、第四反射镜、合束镜、第三随机相位掩膜、第四随机相位掩膜、第三傅里叶透镜、第四傅里叶透镜和CCD构成，所述激光器、所述衰减片、所述扩束镜、所述准直镜、所述分束镜、所述第三傅里叶透镜、所述第四随机相位掩膜、所述第四傅里叶透镜、所述第三随机相位掩膜、所述合束镜、所述CCD依次设置在激光器发射激光光路上，各间距与加密光路相同，所述分束镜、所述第三反射镜、所述第四反射镜、所述合束镜形成矩形光路，所述第三反射镜与所述合束镜成对角，所述第四反射镜与所述分束镜成对角，所述空间光调制器与所述解密方计算机连接，置于所述分束镜和所述第三傅里叶透镜之间。
2.根据权利要求1所述的基于光学全息的混合信息加密装置，其特征在于，所述激光器为He-Ne激光器，发射波长为632.8nm的激光。
3.根据权利要求1所述的基于光学全息的混合信息加密装置，其特征在于，所述激光器发射的激光经所述分束镜分为物光和参考光，参考光的入射角度在0到3.48°之间。
4.根据权利要求1所述的基于光学全息的混合信息加密装置，其特征在于，信息加密模块中，所述第一随机相位掩膜与所述第二随机相位掩膜互不相关，且分别放置在输入平面和傅里叶频谱面上，信息解密模块中所述的第三随机相位掩膜、所述第四随机相位掩膜分别是所述第一随机相位掩膜和所述第二随机相位掩膜的共轭。
5.根据权利要求1所述的基于光学全息的混合信息加密装置，其特征在于，所述合束镜与所述第一随机相位掩膜的距离z在0.1m到0.4m之间。
6.根据权利要求1所述的基于光学全息的混合信息加密装置，其特征在于，利用计算机将音频转化为二维声图，并与视图拼接，将拼接后的图像进行方阵分块处理得到待加密图像，再放入加密装置中利用数字全息、菲涅尔衍射和双随机相位编码三种加密技术进行加密，最终得到白噪声加密图。
7.根据权利要求1所述的基于光学全息的混合信息加密装置，其特征在于，所述第一傅里叶透镜、所述第二傅里叶透镜、所述第三傅里叶透镜、所述第四傅里叶透镜的焦距均为100mm。
8.根据权利要求1所述的基于光学全息的混合信息加密装置，其特征在于，所述第一随机相位掩膜、所述第一傅里叶透镜、所述第二随机相位掩膜、所述第二傅里叶透镜、所述CCD之间间距相等，均为100mm。
9.根据权利要求1所述的基于光学全息的混合信息加密装置，其特征在于，使用衰减器替换衰减片。
10.根据权利要求1所述的基于光学全息的混合信息加密装置，其特征在于，在基础反射镜上镀一层金属银(或铝)薄膜。
Priority Applications (1)
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| CN202011028166.6A CN112329027A (zh) | 2020-09-26 | 2020-09-26 | 基于光学全息的混合信息加密装置 |
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|---|---|
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113917819A (zh) * | 2021-10-13 | 2022-01-11 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 基于菲涅尔掩膜的非相干三维全息分层重构方法 |
| CN114117514A (zh) * | 2021-10-29 | 2022-03-01 | 香港理工大学深圳研究院 | 一种基于光学散斑的加密人脸识别方法和系统 |
| WO2022213419A1 (zh) * | 2021-04-08 | 2022-10-13 | 苏州大学 | 基于随机光场空间相干结构调控的光学加密系统及方法 |
-
2020
- 2020-09-26 CN CN202011028166.6A patent/CN112329027A/zh active Pending
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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Application publication date: 20210205 |
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