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Dissertation for the Doctoral Degree in Science
OPTICAL IMAGE ENCRYPTION AND VALIDATION BASED ON PHASE RETRIEVAL ALGORITHMS
Candidate: Wei Liu
Supervisor: Prof. Shutian Liu Academic Degree Applied for: Doctor of Science Specialty: Optics
Affiliation: Department of Physics
Date of Defence: June, 2015
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘 要
信息在现代社会生活中扮演着极其重要的角色,为了防止私密信息被窃取和篡改,信息安全技术的研究势在必行。相比于传统的基于数学和计算机的信息安全技术,光学信息安全技术具有天然的高速多维的信息处理能力,能够快速而简便的处理大数据量信息的安全问题,因此受到国际信息安全领域研究者的广泛关注。本文通过设计一些光学恢复问题模型并提供解决方案,研究了光学图像加密及认证等安全应用,此外对目前的一些光学安全系统也进行了密码学分析。本文工作以理论计算为主,大部分研究成果也进行了光学实验验证, 具体研究内容概述如下。
利用随机二值位相调制提出了一种新型光学非对称密钥加密方案。在现有的光学加密方案中,绝大部分都采用对称编码,即采用相同的密钥(光学参数)加密和解密信息。在能够接近光学加密装置的情况下,对称加密方案易于受到选择/已知明文攻击,而非对称加密方案在一定程度上可以克服此安全隐患。目前的光学非对称加密方案大多采用位相剪切运算,但是已被证实安全性比较脆弱。本文利用杨-顾振幅位相混合恢复算法提出了一种新型的基于单向随机二值位相调制的非对称密钥编码。私钥在加密过程产生并且分布为 0 和π的随机位相,解密时作为陷门信息。利用此陷门信息对公开加密密钥进行单向调制即可获得解密密钥。在对光学非对称密钥加密的进一步讨论中,由于数学问题难以纯光学实现,我们指出应根据光学系统的特性构建非对称加密算法和结构,当前阶段不必受限于电子非对称密码学概念。
利用位相复用技术提出了一种光学非对称多图像加密方案。通过修正的杨-顾位相恢复理论以及非对称密钥编码,我们在菲涅尔域实现了将多幅相同尺寸的秘密图像加密成一幅同大小的类噪声分布实值图像。加密密钥只有一个随机位相且可以公开,但是加密每个图像的过程中都会产生独立的解密位相密钥,因而解密过程通过输入不同位相密钥得到原始图像。由于解密时只需传输一个密文图像以及 0、1 分布的二值密钥图像,数据量得到了明显压缩。相比于波长复用以及位置复用的多图像加密方案,该方法能够获得更高容量的多路复用能力,抵御现有的密码分析学攻击,并且由于光学实现简单可直接应用于多用户的身份认证等。
除了多图像加密可实现安全数据的压缩传输之外,我们利用误差减少算法提出了另一种光学图像同时压缩加密的方案。在设定光学图像压缩的物理限制
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之后,通过设计误差减少位相恢复算法,将秘密图像同时压缩和编码成实值类噪声图像。该方案可通过控制算法参数实现光学图像一定范围内的压缩率。该方案的解密过程类似于经典的双随机位相编码,解密密钥为两个尺寸更小的随机位相,它们在压缩加密过程中产生。通过将正确的位相密钥置入级联的光学衍射面,在输出面即可获得解密后的解压缩图像。
利用经典的迈克尔逊干涉仪提出了安全的光学加密及认证方案。双光束干涉编码理论已被广泛地应用于光学图像加密及认证中,其原理是通过解析计算的方式将图像编码成两个干涉位相。只有产生干涉的两个位相都正确,干涉输出才会是原始图像。然而针对同一个输出图像,经典编码方式可以存在很多对不同的干涉位相,并且每个位相单独衍射之后都能识别出原始图像信息,这些将给加密及认证带来安全隐患。为了解决上述安全问题,我们设计了具有针对性地位相恢复算法重新定义两个位相的分布,实现了双图像的干涉编码。这种新型干涉编码技术能够安全的应用于光学图像加密及认证,解密及认证过程可由经典的迈克尔逊干涉仪完成。
利用双重纯位相相关提出了一种安全的光学多用户身份认证方案。认证可以通过考察输出图像的内容完成(如干涉编码),也可以通过考察相关性实现。经典的光学身份认证方案主要基于相关识别,并结合随机位相编码。然而,我们通过密码分析学里的已知明文攻击以及选择明文攻击模式证实,由于建立相关的两个图像之间存在一致的关系,经典身份认证方案存在密钥碰撞以及易被伪造的安全