信息安全中的光学加密和验证技术研究

摘要

在信息技术高度发达的今天，传统的信息安全技术如加密技术及身份验证技术等难以满足海量数据的处理需求。这是因为这些传统的信息安全技术主要依靠计算机或DSP等电子手段来实现，这些方法受到处理速度的限制。光学信息安全技术作为一种新的安全手段，近年来得到了快速发展，是对传统安全技术的重要补充和提升。光学信息处理技术本身具有高速度、并行性的特点；光的波长短，信息容量大：同时又具有振幅，相位，波长，偏振等多种属性，是多维的信息载体。这些优点使得利用光学信息处理技术完成数据加密、身份验证等任务比利用电子手段具有天然的优势。
　　 本文在对国内外光学信息安全技术深入调研和分析的基础上，针对当前光学加密系统和光学身份验证系统中存在的几个具体缺陷，开展理论及实验研究。提出了一些新的及改进的方案，大部分方案都进行了光学实验且实验效果较好。具体内容包括：
　　 (1)针对基于JTC的光学加密系统的密钥设计问题，分析了G-S和平滑修正法设计密钥的优缺点，为了结合这两种算法的长处，提出了模糊控制迭代算法。结果表明：采用模糊控制迭代算法生成密钥，对应的解密图象质量优于G-S算法和平滑修正法。
　　 (2)针对Ohtsubo等提出的基于傅立叶编码的光电混合身份验证技术进行光学实验研究。此前尚没发现针对该技术的光学实验研究报导。本文设计了基于傅立叶透镜的光学解码系统以及基于Mach-Zehnder干涉仪光路的解码系统，分别按照这两种解码光路进行光学实验，均验证了这种基于傅立叶编码的身份验证技术的正确性。最后为了适应多重密钥验证的需要，提出了采用多密钥的改进编码方案，并通过光学实验证实了其正确性和鲁棒性。
　　 (3)傅立叶编码方案的解码图象具有对称性，因此包含的有效信息量较少。为了解决这个不足，本文提出了基于菲涅尔编码的光电混合身份验证系统。通过光学实验验证了该方法的正确性。实验表明，所提的基于菲涅尔编码的光电混合身份验证系统可以得到非对称的解码结果，这就意味着可以编码更多的原始图象信息；同时菲涅尔衍射距离z可以作为额外的加密密钥，与基于傅立叶编码的方案相比提高了安全性。
　　 (4)提出了用于身份验证的光学分形密码安全技术，利用光学分形器将用户密码转换成分形图，从而使用户密码得到保护。针对前人给出的OFS系统光路复杂，而且过多的光学元件容易造成成像质量下降的问题，设计了另一种更为简洁的光路。通过实验证实了所提光学分形密码安全技术的正确性。最后讨论了系统的鲁棒性。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 信息安全技术概述

1.2 光学加密及身份验证技术的发展

1.2.1 双随机相位编码方法

1.2.2 基于分数傅立叶变换的加密方法

1.2.3 基于菲涅尔变换的加密方法

1.2.4 基于联合变换相关器的光学信息安全系统

1.2.5 利用数字全息或相移干涉技术的加密系统

1.2.6 利用相位恢复算法的光学信息安全系统

1.2.7 其它研究进展

1.2.8 讨论

1.3 本文的研究内容

2 光学加密及身份验证技术的理论基础

2.1 光学加密及身份验证技术的基本原理

2.1.1 标量衍射理论

2.1.2 透镜的傅立叶变换性质

2.1.3 传递函数和空间滤波系统

2.2 模糊控制理论概述

3 基于JTC加密系统的密钥设计方法研究

3.1 基于JTC的加密系统的密钥设计问题

3.1.1 基于JTC的加密系统的原理

3.1.2 基于JTC的加密系统的密钥设计问题

3.2 利用G-S算法设计JTC加密系统的密钥

3.2.1 G-S算法

3.2.2 计算机设计结果和讨论

3.3 利用平滑修正法设计JTC加密系统的密钥

3.3.1 平滑修正法

3.3.2 计算机设计结果和讨论

3.4 模糊控制迭代算法

3.4.1 模糊控制迭代算法的基本思想

3.4.2 模糊控制的实现方案

3.4.3 密钥设计结果

3.4.4 利用所设计的密钥进行加密的数值模拟

3.5 小结

4 傅立叶编码身份验证系统的实验研究

4.1 傅立叶编码的光电混合验证技术

4.1.1 傅立叶编码身份验证技术的基本原理

4.1.2 对解码结果的改善和实值编码改进

4.1.3 傅立叶编码用于身份验证的讨论

4.2 基于傅立叶透镜的解码系统

4.2.1 解码系统的实现方案

4.2.2 光学实验结果

4.3 基于Mach-Zehnder干涉仪光路的解码系统

4.3.1 解码系统的实现方案

4.3.2 光学实验结果

4.4 多密钥的改进编码方案

4.4.1 多密钥改进编码方案的基本原理

4.4.2 光学实验结果

4.5 小结

5 基于菲涅尔编码的光电混合身份验证系统

5.1 菲涅尔编码的身份验证技术的基本原理

5.1.1 编码过程

5.1.2 解码过程

5.2 实验结果和讨论

5.2.1 计算机模拟实验结果

5.2.2 光学实验装置讨论

5.2.3 光学实验结果和讨论

5.3 小结

6 用于身份验证的光学分形密码安全技术

6.1 分形在光学信息安全领域的应用

6.2 光学分形密码安全技术的工作流程

6.3 FEP的原理

6.3.1 通过非线性变换得到分形变换的参数

6.3.2 利用OFS的迭代过程来产生分形图F

6.4 光学实验结果

6.5 讨论

6.6 小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致 谢

作者简介