圖像和視頻已經(jīng)逐漸成為人們主要的信息記錄、交互方式。大量的圖像信息在各種信息設(shè)備、互聯(lián)網(wǎng)上存儲(chǔ)、傳播。同時(shí)，這些信息的安全性也日益引起人們的重視。目前，這些多媒體數(shù)據(jù)被當(dāng)做文本數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使用傳統(tǒng)的加密方法，不僅處理速度慢，而且存在一定的安全隱患。

光學(xué)信息處理系統(tǒng)具有高速、大帶寬的優(yōu)點(diǎn)，因此被提出用來對(duì)圖像進(jìn)行加密，如雙隨機(jī)相位編碼技術(shù)。然而，傳統(tǒng)的基于線性光學(xué)處理系統(tǒng)的光學(xué)圖像加密方法，雖然可以快速對(duì)大量圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，但其安全性存在一定的隱患。原因在于，傳統(tǒng)光學(xué)加密系統(tǒng)明文與密文之間存在固有的線性關(guān)系，容易受到已知明文、選擇明文等密碼分析手段的攻擊。傳統(tǒng)光學(xué)圖像加密系統(tǒng)安全性差的缺點(diǎn)，導(dǎo)致其無法真正被廣泛使用。

近日，上海光機(jī)所信息光學(xué)與光電技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 司徒國(guó)海 領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)提出一種新的光學(xué)圖像加密方法。該方法基于光折變晶體的自相位調(diào)制技術(shù)，打破了傳統(tǒng)光學(xué)圖像加密系統(tǒng)固有的線性特征，首次實(shí)現(xiàn)了無論是加密速度還是安全性都大幅提升的光學(xué)圖像加密。

該研究成果“Image encryption using spatial nonlinear optics”發(fā)表在卓越計(jì)劃高起點(diǎn)新刊eLight（論文網(wǎng)址：https://doi.org/10.1186/s43593-021-00010-y）。來自香港理工大學(xué)的 Wen CHEN 教授為本文撰寫了 News & Views，發(fā)表于 Light: Science & Applications（論文網(wǎng)址：https://doi.org/10.1038/s41377-021-00699-z）。

非線性光學(xué)圖像加密技術(shù)是一種直接對(duì)光學(xué)圖像進(jìn)行加密的技術(shù)，整個(gè)加密過程都在光學(xué)系統(tǒng)中完成。其加密速度等同于光速，不依賴計(jì)算機(jī)的算力，可在瞬間完成。

該加密系統(tǒng)如圖 1（a）所示，準(zhǔn)備加密的圖像可通過空間光調(diào)制器 A(SLM-A) 加載，經(jīng) 4f 系統(tǒng)成像到投射到加密系統(tǒng)（Encryption system）輸入端，輸出端為加密后的圖像，被 4f 系統(tǒng)成像到 CCD 相機(jī)表面，并用干涉法記錄。

加密系統(tǒng)內(nèi)部如圖 1（b）所示，輸入圖像經(jīng)過空間光調(diào)制器 P?（SLM-P?）加載的隨機(jī)相位調(diào)制后，被 4f 系統(tǒng)成像到一塊光子晶體（SBN:61）表面，經(jīng)過光子晶體非線性傳播后，4f 系統(tǒng)將其投射到加載隨機(jī)相位的空間光調(diào)制器 P?（SLM-P?）上，再次對(duì)光束進(jìn)行調(diào)制，最后通過 4f 系統(tǒng)將光束成像到另一塊光子晶體表面，經(jīng)晶體非線性傳播后完成加密輸出系統(tǒng)。

圖 1：非線性光學(xué)圖像加密系統(tǒng)

經(jīng)過兩次隨機(jī)相位調(diào)制及非線性傳播后，光學(xué)圖像被加密成平穩(wěn)的復(fù)隨機(jī)白噪聲。經(jīng)密碼學(xué)分析證明，非線性光學(xué)加密圖像加密有很強(qiáng)的安全性。解密是加密的逆過程，在已知密鑰的情況下可以用光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行解密，同時(shí)也可以用數(shù)字全息的方式進(jìn)行解密。

圖 2 為非線性加密、解密的結(jié)果，其中圖 2（a）為原文圖像，經(jīng)加密系統(tǒng)加密后，密文如圖2（b）所示，可以看到密文完全隨機(jī)分布，已經(jīng)無法看到原文的信息。在已知密鑰的情況下，密文被解密為圖 2（c），此時(shí)原文信息已經(jīng)完全恢復(fù)。

圖 2：非線性加密、解密的結(jié)果

毫無疑問，一種可靠的加密技術(shù)必須具有很高的安全性。在密碼學(xué)分析時(shí)，要遵從柯克霍夫原則：即使密碼系統(tǒng)的任何細(xì)節(jié)已為人所知，只要密鑰未泄露，他也應(yīng)是安全的。以已知明文攻擊為例，攻擊者知道密文及其對(duì)應(yīng)明文信息。并且試圖通過這些信息得到加密系統(tǒng)的解密密鑰，從而破解加密系統(tǒng)。在該條件下，密碼分析問題最終會(huì)轉(zhuǎn)化為單圖像或多圖像的相位恢復(fù)問題。

在線性光學(xué)系統(tǒng)下，雙隨機(jī)相位密鑰會(huì)被一些相位恢復(fù)算法所恢復(fù)，即密碼被破譯。而非線性光學(xué)系統(tǒng)下，因光折變晶體的折射率分布與明文及其編碼方式有關(guān)，不同的明文雖然經(jīng)過同一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)加密，但因非線性效應(yīng)引起的折射率變化不一樣，因而無法利用線性的多圖像恢復(fù)算法獲得有效的相位密鑰，從而保證了系統(tǒng)的安全性。密碼學(xué)分析表明，該技術(shù)可以有效抵御多種密碼分析手段的攻擊。

該項(xiàng)研究解決了長(zhǎng)期以來困擾光學(xué)圖像加密領(lǐng)域的安全性問題，從理論和實(shí)驗(yàn)上都取得了良好效果，使真正實(shí)現(xiàn)光學(xué)圖像加密成為可能。

閱讀原文