獲取隨機相位編碼光學加密系統等效密鑰的方法和裝置與流程

2023-12-11 17:08:17 1

本發明涉及光學密碼技術領域中的光學密碼分析，特別是涉及一種獲取基於隨機相位編碼的光學加密系統等效密鑰的方法和裝置。

背景技術：

基於光學理論與方法的數據加密是近年來國際上開始起步發展的新一代信息安全技術。與傳統的計算機密碼學和信息安全技術相比，光學信息安全技術具有多維度、大容量、高自由度、高魯棒性、天然並行性等諸多優勢。由Refregier和Javidi於1995年提出的基於雙隨機相位編碼(Double Random Phase Encoding,DRPE)的光學加密系統是一種最為經典的光學圖像加密系統。自從這個工作被報導以來，基於光學手段的加密技術得以蓬勃發展。基於DRPE的光學加密方案也從傅立葉變換域被擴展到了其他的一些變換域，比如分數傅立葉變換域和菲涅爾變換域。注意，傅立葉變換、分數傅立葉變換和菲涅爾變換從信號處理的角度來說都屬於線性正則變換。因此，這些基於隨機相位編碼在線性正則變換域的光學加密系統又可以被統稱為基於隨機相位編碼和線性正則變換的光學加密系統。然而，作為密碼系統，首要被關注的應該是該系統的安全性，一個密碼系統必須經過密碼分析的安全評估才能聲稱是安全的。因此，在光學密碼分析方面，上述這一類基於隨機相位編碼和線性正則變換的光學加密系統的安全性也被廣泛的研究。

2012年，德裡印度理工學院的Pramod Kumar等人提出一種點擴散函數攻擊的光學密碼分析方法，針對經典的基於雙隨機相位編碼的光學加密方案及基於雙隨機相位振幅編碼的安全增強型光學加密方案，通過選擇一個脈衝函數作為輸入，得到相應的系統點擴散函數，並用此點擴散函數可以直接從密文中恢復明文。該方法最大的缺點是需要記錄的系統點擴散函數是一個復振幅分布(包括振幅和相位)，而復振幅分布通常無法直接記錄和保存，需要藉助額外的幹涉計量裝置或者其他相位測量裝置來記錄，因此該方法在實際應用中會增加實際裝置的複雜性，降低了光學密碼分析的效率。

技術實現要素：

基於此，有必要提供一種更為簡單的獲取基於隨機相位編碼的光學加密系統等效密鑰的方法和裝置。

一種獲取隨機相位編碼光學加密系統等效密鑰的裝置，用於攻擊基於隨機相位編碼的光學加密系統以獲得所述光學加密系統的等效密鑰，包括：

點物結構，用於產生位於所述光學加密系統的輸入平面中心位置處的點物；

光學4f結構，包括第一透鏡和第二透鏡，用於級聯在所述光學加密系統的輸出平面；其中所述第一透鏡更靠近所述光學加密系統；

純相位空間光調製器，位於所述第一透鏡和第二透鏡之間，用於對穿過所述第一透鏡的光進行相位調製；

反饋控制裝置，用於獲取所述第二透鏡的焦平面上的圖像的光強數據，並根據獲得的光強數據控制所述純相位空間光調製器對穿過所述第一透鏡的光的相位進行調製，以獲得使所述第二透鏡的焦平面上圖像中心位置處光強最大時的相位調製參數；

以所述相位調製參數作為所述光學加密系統的等效密鑰。

在其中一個實施例中，所述點物結構用於根據脈衝函數生成位於所述光學加密系統的輸入平面中心位置處的點物。

在其中一個實施例中，所述反饋控制裝置包括：

相機單元，位於所述第二透鏡的焦平面處，用於拍攝所述第二透鏡的焦平面上的圖像；

計算單元，與所述相機單元通信連接，用於獲取所述相機單元拍攝的圖像以計算圖像中心位置處的光強數據；

反饋單元，用於根據所述光強數據生成調整所述純相位空間光調製器的相位調製參數的控制信號；

所述計算單元還用於分析光強數據以獲得圖像中心位置處的最大光強度。

在其中一個實施例中，所述相機單元為CCD相機。

一種獲取隨機相位編碼光學加密系統等效密鑰的方法，基於上述的系統，包括：

從所述光學加密系統的輸入平面輸入點物作為設定的明文；

將所述光學加密系統的輸出平面上的密文經第一透鏡聚焦；

將所述第一透鏡焦平面處的透射光進行相位調製，並使調製後的透射光經過第二透鏡；

獲取所述第二透鏡的焦平面上的圖像的光強數據，並根據獲得的光強數據控制所述純相位空間光調製器對穿過所述第一透鏡的光波的相位進行調製，以獲得使所述第二透鏡的焦平面上的圖像中心位置處光強最大的相位調製參數；

以所述相位調製參數作為所述光學加密系統的等效密鑰。

在其中一個實施例中，所述根據獲得的光強數據控制所述純相位空間光調製器對穿過所述第一透鏡的光的相位進行調整，以獲得使所述第二透鏡的焦平面上圖像中心位置處光強最大的相位調製參數的步驟包括：

將所述純相位空間光調製器的二維表面劃分為面積等大的N×N個方形調製單元，首行首列的調製單元為第一個調製單元，末行末列的調製單元為最後一個調製單元；並將每個調製單元的初始相位設為0；

對所述N×N個方形調製單元，進行如下處理：

從第一個調製單元開始調製，作為當前調製單元；

對當前調製單元加載不同的相位值，並計算位於第二透鏡的焦平面上、與當前調製單元對應的圖像中心位置處的光強；

獲取對應於圖像中心位置處光強最大的相位值作為當前調製單元的相位調製參數；

獲取下一個調製單元的相位調製參數直至所有的調製單元處理完成；其中，下一個調製單元的相位調製以其之前所有的調製單元調製完成為基礎，最後一個調製單元調製完成後即完成了所有調製單元的調製；

以調製完成的純相位空間光調製器上的相位分布作為等效密鑰。

在其中一個實施例中，所述加載的不同的相位值為將範圍為0～2π的相位值分配為等值的K個相位值，每個為2iπ/K，1≤i≤K，i為整數。

在其中一個實施例中，5≤K≤20。

在其中一個實施例中，所述10≤N≤50。

在其中一個實施例中，在評價光強大小時，採用光強增長因子η作為監測參數，所述光強增長因子η定義為調整相位後的圖像中心位置處光強Im與調整相位前的圖像統計平均光強的比值。

上述系統和方法通過將點光源輸入到光學加密系統，並採用光學4f結構、純相位空間光調製器以及反饋控制裝置的調整和處理，可以將從光學加密系統輸出的光線進行不斷的相位調製，使第二透鏡焦平面上的各處光強最大，從而將從光學加密系統輸出的雜散光斑還原為光點。獲得光學加密系統的等效密鑰，該方法簡單，系統成本較低。

附圖說明

圖1為光學加密系統的加密過程示意圖；

圖2為一實施例的裝置結構圖；

圖3為圖2中的反饋控制裝置的模塊圖；

圖4為一實施例的方法流程圖；

圖5為圖4中調整相位的具體方法流程圖；

圖6為純相位空間光調製器對各調製單元的調製順序示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例進行進一步說明。

以下實施例提供一種裝置，用於獲得基於隨機相位編碼的光學加密系統的等效密鑰。

基於隨機相位編碼和線性正則變換的光學加密系統可以用一種通用模型來表示。如圖1所示，令M1,M2,…,Mi分別表示隨機相位模板，它們之間相互統計獨立並擔任加密系統密鑰的角色。為了描述精簡，在以下的表述中我們省略了相關坐標參數。

通常明文被放置在加密系統的輸入平面。當用相干光照明整個系統時，將加密系統的輸出平面上的復振幅分布作為加密系統的密文；而當用非相干光照明整個加密系統時，則將輸出平面上的強度分布作為加密系統的密文。因此，系統的加密過程可以用下面這個通用的表達式來描述：

C＝LCT{LCT{LCT{P×M1}×M2}×…×Mi} (1)

式中，P和C分別表示加密系統的明文和密文，LCT{·}表示線性正則變換操作，符號×表示矩陣點乘操作。

對基於隨機相位編碼和線性正則變換的光學加密系統的解密，其解密過程正好是加密過程的逆過程，可以用如下表達式來表示：

P＝{LCT-1{LCT-1{LCT-1{C}×Mi′}×M′i-1}×…}×M′1 (2)

式中LCT-1{·}表示與加密過程對應的線性級聯逆變換操作，M′i表示Mi的共軛。從上述解密過程的表達式中可以看出，通常只要使用正確的相位密鑰，明文即可從密文中被精確地解密出來。

特別地，當線性正則變換為傅立葉變換，且i＝2時，等式(1)和等式(2)即為經典DRPE光學加密系統的加密和解密過程；當線性正則變換為分數傅立葉變換，且i＝2時，等式(1)和等式(2)即為DRPE在分數傅立葉變換域中光學加密系統的加密和解密過程；當線性正則變換為菲涅爾變換，且i＝2時，等式(1)和等式(2)即為DRPE在菲涅爾變換域中光學加密系統的加密和解密過程。

以下實施例的系統即用於獲得上述基於隨機相位編碼和線性正則變換的光學加密系統的等效密鑰。等效密鑰是指可以用於還原密文的密鑰，但與光學加密系統本身所設置的密鑰並不相同。其原理是，這一類光學加密系統可以看成是一個線性系統。如果一個點源通過該光學加密系統形成的一個隨機的散斑場可以利用某種手段使之在某個平面重新形成一個聚焦的點(即點源的像)，那麼根據光學記憶效應，在這個點源附近一定範圍內的點也可以重新形成相應的點像。

如圖2所示，該系統10包括點物結構100、光學4f結構200、純相位空間光調製器300以及反饋控制裝置400。

其中點物結構100用於產生位於所述光學加密系統20的輸入平面中心位置處的點物。點物結構100可以根據脈衝函數生成位於所述光學加密系統20的輸入平面中心位置處的點物。

光學4f結構200包括第一透鏡210和第二透鏡220。光學4f結構200用於級聯在所述光學加密系統20的輸出平面。其中第一透鏡210和第二透鏡220具有相同焦距f，光學加密系統20的輸出平面位於第一透鏡210的前焦點，第二透鏡220的前焦點和第一透鏡210的後焦點重合，兩個透鏡相距2f。所述第一透鏡210更靠近所述光學加密系統20。

純相位空間光調製器300位於所述第一透鏡210和第二透鏡220之間，用於對穿過所述第一透鏡210的光進行相位調製。具體地，純相位空間光調製器300位於第一透鏡210的後焦點，也即第二透鏡220的前焦點處。

反饋控制裝置400用於獲取所述第二透鏡220的焦平面上的圖像的光強數據，並根據獲得的光強數據控制所述純相位空間光調製器300對穿過所述第一透鏡210的光的相位進行調製，以獲得使所述第二透鏡220的焦平面上的圖像中心位置處光強最大時的相位調製參數。以所述相位調製參數作為所述光學加密系統20的等效密鑰。

由於光學加密系統20在輸入平面輸入的是點物，因此，上述使圖像中心位置處光強最大的相位調製參數即為使第二透鏡220的焦平面上的圖像還原為點像的參數。

具體地，如圖3所示，反饋控制裝置400可以包括相機單元410、計算單元420和反饋單元430。相機單元410位於所述第二透鏡220的焦平面處，用於拍攝所述第二透鏡220的焦平面上的圖像。所述相機單元可以為CCD相機。

計算單元420與所述相機單元410通信連接，用於獲取所述相機單元410拍攝的圖像以計算光強數據。計算單元420可以是各種具有計算能力的軟硬體系統，例如微控制單元(MCU)、單片機以及計算機系統等。

反饋單元430用於根據所述光強數據生成調整所述純相位空間光調製器300的相位的控制信號。所述計算單元420之後還用於分析光強數據以獲得最大光強度。

上述系統10，通過將點物輸入到光學加密系統20，並採用光學4f結構200、純相位空間光調製器300以及反饋控制裝置400的調製和處理，可以將從光學加密系統20輸出的光線進行不斷的相位調製，使第二透鏡焦平面上的圖像中心位置處光強最大，從而將從光學加密系統20輸出的雜散光斑還原為光點。將該相位調整參數用於面光源加密的密文時，根據上述光學記憶效應，也可以進行解密。

基於上述系統，提供一種獲取光學加密系統等效密鑰的方法。如圖4所示，該方法包括以下步驟：

步驟S100：從所述光學加密系統的輸入平面輸入點物作為設定的明文。該點物可以根據脈衝函數生成。

步驟S200：將所述光學加密系統的輸出平面上的密文經第一透鏡聚焦。

步驟S300：將所述第一透鏡焦平面處的透射光進行相位調製，並使調製後的透射光經過第二透鏡。

步驟S400：獲取所述第二透鏡的焦平面上的圖像的光強數據，並根據獲得的光強數據控制所述純相位空間光調製器對穿過所述第一透鏡的光波的相位進行調製，以獲得使所述第二透鏡的焦平面上的圖像中心位置處光強最大的相位調製參數。

步驟S500：以所述相位調製參數作為所述光學加密系統的等效密鑰。

在其中一個實施例中，如圖5所示，所述步驟S400具體包括：

子步驟S410：將所述純相位空間光調製器的二維表面劃分為面積等大的N×N個方形調製單元；首行首列的調製單元為第一個調製單元，末行末列的調製單元為最後一個調製單元；並將每個調製單元的初始相位設為0。這N×N個方形調製單元呈矩陣緊密排列。每個方形調製單元具有多個像素點。N一般取值為10≤N≤50，但不限於此。

子步驟S420：獲取一個調製單元作為當前調製單元。當從第一個調製單元開始時，取第一個調製單元為當前調製單元。

子步驟S430：對當前調製單元加載不同的相位值，並計算位於第二透鏡的焦平面上、與當前調製單元對應的圖像中心位置處的光強。在一個實施例中，所述加載的不同的相位值為將範圍0～2π的相位值分配為等值的K個相位值，每個為2iπ/K，1≤i≤K，i為整數。5≤K≤20。K值越大，計算所需要的時間越長。

子步驟S440：獲取對應於圖像中心位置處光強最大的相位值作為當前調製單元的相位調製參數。需要注意的是，在得到某個調製單元的最優相位值後，在調製下一個調製單元時，之前的調製單元上的相位值並不是設置為0，而是設置為得到的最優相位值，換句話說，就是在之前所有調製結果的基礎上進行下一個調製單元的調製。為評價光強變化，引入光強增長因子η作為監測參數，光強增長因子η定義為調整相位後的圖像中心位置處光強Im與調整相位前的圖像統計平均光強的比值，即

子步驟S450：是否有下一個調製單元，若是，則返回執行子步驟S430，否則結束。

步驟S420～S450反覆執行，每次對一個調製單元進行調製。具體順序可以參考圖6。

圖像中心位置的光強增長因子η取決於被優化的總調製單元個數N×N。這裡再一次表明了，被調製的區域越大，圖像中心位置的光強越強；同時，當劃分的調製單元N×N越多，所有調製單元優化完成後，最終的圖像中心位置光強也越強。

所以當最後一個調製單元調製完成時，圖像中心位置的光強達到最大，此時在純相位空間光調製器300上的相位分布即為最終優化後的相位分布Q，這個相位分布被視為光學加密系統20的「等效密鑰」。

上述方法，可以通過不斷調整純相位空間光調製器的相位參數來還原點光源，得到光學加密系統的等效密鑰。

以上所述實施例的各技術特徵可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特徵所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特徵的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的範圍。

以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。