基于相移干涉术的光学信息安全系统的设计及软件实现

摘要

随着互联网，计算机和数字通信技术的飞速发展，人类社会已进入信息时代，信息安全问题越来越受到人们关注。自1995年美国科学家B.Javidi和P.Réfrégier提出基于傅里叶域的双随机相位编码信息加密技术以来，光学图像加密与水印技术已成为一个新的信息安全领域的研究热点，吸引着国内外研究人员越来越多地投身到这一研究新领域中。光学信息安全系统一般采用傅里叶变换、光学相干、菲涅耳衍射、分数傅里叶变换、迭代相位恢复、光学全息等信息光学相关技术，来完成对信息的加解密、隐藏以及提取。相比于传统的安全系统而言，光学信息安全系统具有大容量、多维度及高速并行数据处理能力等特点。
　　本论文系统地概述了光学信息安全的国内外研究成果和进展，并对一些常见的光学图像加密和数字水印技术进行了简单介绍。本论文在相移干涉术和迭代相位恢复算法的基础上结合信息安全相关领域的其他处理方法展开工作，提出了一些新的及改进的方案。本论文的主要工作包括以下几个方面:
　　(1)提出了一种基于双随机相位编码技术与相移干涉术的信息隐藏系统。原始明文图像通过相移干涉术和双随机相位编码技术被编码成多幅干涉图后，通过选择适当的权重因子，将它们隐藏到宿主图像中;利用特定的波前重建公式和逆菲涅耳变换，可以完成对隐藏信息的恢复。通过基于Matcom的MATLAB与VisualC++混合编程，开发设计了一款光学信息隐藏软件。
　　(2)结合数字全息、相移干涉术和奇异值分解等技术，提出了一种光学数字水印方案。灰度水印图像通过菲涅耳域中的双随机相位加密技术和三步相移干涉术被加密成三幅干涉图;通过选择适当的权重因子，它们被嵌入到彩色宿主图像R、G和B分量的奇异值矩阵中。该水印方案由于引入了双随机相位编码技术和奇异值矩阵分解而具有较高的安全性、较好的不可感知性和较强的鲁棒性等特点，仿真实验表明该水印方案对一般信号处理和几何失真都具有很强的鲁棒性。
　　(3)结合椭圆曲线公钥密码算法，提出了一种基于两步相移干涉和椭圆曲线公钥密码的光学-数字非对称密码系统。原始明文图像通过菲涅耳域的双随机相位加密技术和两步相移干涉术被加密成两幅干涉图;而加密过程中的会话密钥（如几何参数、伪随机种子等）通过椭圆曲线进行加密和解密。该混合非对称密码系统很好地解决了传统对称密码系统中的密钥分发与管理等难题，仿真实验和软件设计都证实了该系统的可行性。
　　(4)结合迭代相位恢复算法和椭圆曲线数字签名算法等技术，提出了一种光学身份认证方案。标准认证图像和用户身份标识的密钥相关的哈希运算消息认证码的二维码构建一个复振幅物体，结合使用菲涅耳域的相位恢复算法，通过编码该复振幅场的信息来产生认证时所需的相位钥。该方案不仅能通过“图像匹配”和“椭圆曲线数字签名认证”以实现对用户身份的双重认证，而且由于密钥相关的哈希运算消息认证码的引入，增强了系统的安全性，理论分析和模拟仿真都验证了该方案的可行性和有效性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 信息安全

1．1．1 密码学

1．1．2 信息隐藏

1．1．3 数字水印

1．2 光学信息安全

1．2．1 光学信息安全的研究进展

1．2．2 常见的光学图像加密技术

1．2．3 基于信息光学理论的数字水印技术

1．3 本论文的主要内容

第2章 基于相移干涉术的光学信息隐藏系统

2．1 理论分析

2．1．1 信息加密及嵌入

2．1．2 水印提取及解密

2．2 软件设计

2．2．1 软件设计模式及特性

2．2．2 系统软件的设计实现

2．2．3 软件界面及系统性能测试

2．3 小结

第3章 基于相移干涉和奇异值分解的光学信息加密和水印技术

3．1 基于相移干涉和奇异值分解的光学信息加密和水印原理

3．1．1 奇异值分解

3．1．2 数字水印的加密及嵌入

3．1．3 数字水印的提取及解密

3．2 水印系统的数值模拟验证

3．2．1 水印系统的可行性验证

3．2．2 水印系统的鲁棒性分析

3．3 小结

第4章 基于两步相移干涉术和椭圆曲线公钥算法的混合密码系统及其软件实现

4．1 椭圆曲线公钥密码

4．2 基于两步相移干涉术和椭圆曲线公钥算法的混合密码系统理论

4．2．1 基于两步相移干涉术和双随机相位编码的光学加密过程

4．2．2 椭圆曲线公钥算法的编码与解码

4．2．3 基于两步相移干涉术和双随机相位编码的光学解密过程

4．3 数值模拟

4．3．1 可行性验证

4．3．2 几何参数密钥灵敏度测试

4．3．3 鲁棒性测试

4．4 软件设计

4．5 小结

第5章 基于椭圆曲线数字签名算法和相位恢复算法的光学身份认证系统

5．1 相关知识

5．1．1 密钥相关的哈希运算消息认证码

5．1．2 椭圆曲线数字签名算法

5．1．3 二维码(QR Code)

5．2 身份认证方案描述

5．2．1 系统设计过程

5．2．2 用户认证过程

5．3 数值仿真

5．4 小结

全文总结

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果、参加的科研项目及获得的奖励