數(shù)字全息在信息安全中的應(yīng)用

陳亮+莫秋燕+黃意+陳文經(jīng)

摘 要：基于全息技術(shù)的信息安全技術(shù)是近幾年起步的新一代信息安全理論和技術(shù)，本文旨在通過控制全息圖的衍射距離實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的加密和解密，使學(xué)生對(duì)數(shù)字全息在信息安全中的應(yīng)用有初步的了解。

關(guān)鍵詞：全息 數(shù)字全息 信息安全

中圖分類號(hào)：TN26 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082（2017）09-000-01

隨著信息和網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，信息安全問題得到新聞媒體的普遍關(guān)注。信息的泄露，不僅會(huì)給個(gè)人和社會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且危及到了個(gè)人隱私，甚至是國家機(jī)密。因此如何對(duì)信息進(jìn)行可靠的加密是當(dāng)前研究的一個(gè)熱門課題。而利用光學(xué)理論、方法及技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密是近些年發(fā)展起來的新一代信息安全理論與技術(shù)。信息加密技術(shù)按照所采用技術(shù)的不同主要可分為計(jì)算機(jī)加密、量子加密和光學(xué)加密等[1]。相比之下，在面對(duì)大量的、復(fù)雜的數(shù)據(jù)信息時(shí)，光學(xué)技術(shù)固有的數(shù)據(jù)并行處理能力占有明顯優(yōu)勢，且所處理的信息量越大，這種優(yōu)勢越明顯。在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密的過程中，依據(jù)光的干涉、衍射等原理，可通過改變光的波長、相位、頻率等多種參數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多維編碼。與傳統(tǒng)的信息加密技術(shù)相比，基于光學(xué)技術(shù)的信息加密技術(shù)具有多維度、并行性、難以破解等優(yōu)勢[3]。

一、原理

利用光的干涉原理，將物體的波前信息以干涉條紋的形式記錄下來，并利用衍射使其在一定條件下再現(xiàn)，即可形成原物體的三維像，由于記錄了物體全部的信息（振幅和位相），因此稱為全息術(shù)[4]。目前全息技術(shù)被廣泛應(yīng)用于存儲(chǔ)、藝術(shù)、三維顯示等多種領(lǐng)域。根據(jù)記錄介質(zhì)的不同，全息術(shù)大致可分為光學(xué)全息、計(jì)算全息和數(shù)字全息。

數(shù)字全息是利用CCD等光電器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的干板記錄全息圖，通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)待測物體的全息再現(xiàn)和處理，是現(xiàn)代信息技術(shù)背景下，將計(jì)算機(jī)技術(shù)引入光學(xué)全息后的產(chǎn)物，比光學(xué)全息更具靈活性，且便于進(jìn)行定量分析和傳輸。

利用數(shù)字全息的記錄和再現(xiàn)的原理，將物體波前信息作為明文，則全息圖即為密文，根據(jù)光學(xué)衍射傳播原理，加密和解密的算法為菲涅爾衍射算法，在衍射過程中的波長、再現(xiàn)距離均可作為密鑰。加密時(shí)，通過計(jì)算機(jī)計(jì)算物體的波前函數(shù)，并生成計(jì)算全息圖；解密時(shí)，將生成的全息圖輸入空間光調(diào)制器中，用特定的波長沿著特定的光路，即可在唯一的衍射距離處得到相應(yīng)物體的明文信息。

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)采用北京杏林睿光科技有限公司生產(chǎn)的RL-E-15030-RLE-CH01型數(shù)字全息與信息安全綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)備。實(shí)驗(yàn)通過建立層析的理想三維物體模型，制作菲涅爾全息圖，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)字再現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)采用He-Ne激光器作為光源，所用空間光調(diào)制器為反射式液晶光閥。

實(shí)驗(yàn)過程中首先依次讀入3幅標(biāo)有不同漢字的圖（圖1），并設(shè)置相應(yīng)的記錄距離，利用系統(tǒng)軟件生成全息圖。

再現(xiàn)時(shí)只需輸入再現(xiàn)距離即可直接輸出仿真再現(xiàn)圖（圖2）。

將全息圖輸入到SLM中，沿著CCD和SLM的軸線方向移動(dòng)CCD的位置，就能在不同的位置獲得不同圖像的再現(xiàn)像（圖3）。

由仿真再現(xiàn)圖和光學(xué)再現(xiàn)圖均可以看出，對(duì)于某一幅圖的再現(xiàn)圖，只有當(dāng)再現(xiàn)距離等于記錄距離時(shí)，物體才最清晰，否則只能得到模糊的再現(xiàn)像，因此利用衍射距離作為密鑰可以對(duì)信息進(jìn)行加密。

結(jié)語

當(dāng)前，在信息和網(wǎng)絡(luò)迅猛發(fā)展的情況下，信息的存儲(chǔ)、傳輸和處理的要求與日俱增，信息安全問題的研究是十分有意義的。光學(xué)信息處理具有處理速度快、信息容量大、能夠?qū)崿F(xiàn)快速卷積、密鑰空間大，較高的并行處理能力等得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，光學(xué)信息處理在加密與信息隱藏中的研究必有很大潛力。

參考文獻(xiàn)

[1]劉健.計(jì)算全息加密技術(shù)的研究[D].浙江：浙江師范大學(xué)，2013.

[2]吳克難，胡家升，烏旭.信息安全中的光學(xué)加密技術(shù)[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2008，45（7）：30-38.

[3]梁丹華，孫華燕.光學(xué)全息的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].裝備制造技術(shù)，2017，1：21-22.endprint