息理论光学全息数字全息本章小结第三章典型的光学加密系统基于“双随机相位编码”的加密系统基于系统的双随机相位编码基于菲涅尔变换的双随机相位编码基于结合和其他技术的加密系统基于联合变换相关器的双随机相位编码基于数字相移全息的随机相位编码基于“相位恢复”技术的加密系统算法输入输出算法本章小结第四章基于数字相移全息及图像置乱的光学混沌加密算法基于数字相移全息的随机相位编码系统仿真及分析仿真结果安全性分析加密图像数据分析对基于数字相移全息的随机相位编码的改进混沌映射置乱技术基于数字相移全息及图像置乱的光学混沌加密算法基于数字相移全息及图像置乱的光学混沌加密算法描述加密算法解密算法虚拟光学多维数据加密算法的实现详细流程离散化模型软件实现本章小结第五章改进系统软件模拟实现与性能分析图像加密算法的评价方法万方数据改进系统仿真结果计算模拟与分析系统密钥安全性分析鲁棒性测试本章小结第六章全文总结与工作展望全文总结工作展望参考文献附录程序清单附录攻读硕士学位期间撰写的论文致谢万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第章绪论第章绪论网络信息的传播是当今社会人与人交流的主要途径，在信息传播过程中，信息在传输媒质中必定存在滞留的时间，对于攻击者来说，这段信息传输的时间与空间给其提供了破坏信息的机会，信息在这期间是最容易被窃取和篡改的。由于现实生活中些信息的保密性，如今信息安全已成为个关乎国家和百姓隐私的重要课题。传统保证信息安全的方法是使用计算机等数字信号处理方式进行信息加密，但光学加密的并行高速多维度的优势引起科研人员的关注，成为当前信息安全领域的研究热点之。信息安全信息作为种资源，它的普遍性可识别性可处理性可传递性和可处理性，使其对于人类生活和社会进步具有特别重要的意义。随着网络技术的日新月异，人们在网络上的活动越发频繁，网络信息的增长速度疾如雷电，随之而来的就是网络信息安全的问题。例如国家政府军事之间在信息安全领域的竞争日益激烈，机密级信息的安全保护成为各国网络新的战略制高点通信网络以及银行内部系统旦被黑客攻破，通话内容泄露巨额资金损失，信息安全的漏洞必会付出惨痛的代价电子商务的普及使得用户的个人信息经济安全面临全新的挑战。小到个人，大到国家，机密信息旦泄露，后果射的公式都能用来计算夫琅禾费衍射，反之不行。鉴于菲涅尔衍射公式的普遍性，在光学加密系统中，菲涅尔衍射是光学加密过程中经常使用的方法之。透镜的傅里叶变换透镜是光学成像系统和光学信息处理系统中最基本的光学器件，透镜的傅里叶变换特性是光学信息处理的基础，它是进行图像处理和分析的有力工具。正透镜的特点是中间厚，边缘薄，这样中心区域光学路程长，相位延迟大，边缘则相反，因此正透镜会造成平面波波阵面弯曲，形成汇聚球面。由于薄透镜在光学计算中可以忽略其厚度，因此在光学加密系统中，般选择薄透镜，其功用就相当于相位变换器，光波在经过薄透镜之后，由于各处光程不同引起位相延迟不同而造成光波波面形状的改变，继而改变其传播方式。图透镜的相位变换作用图所示的是薄透镜点物成点像的成像过程，由点光源发出的发散球面波，经过透镜后，汇聚到点处，成为点光源的像。为了研究透镜的相位变换功用，引入透镜的复振幅透过率，其中和，分别是和平面上的光场分布。由菲涅尔近似可得万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章光学加密的理论基础，，在式和中的相位因子和仅为常数相位变化，分析时可略去，所以透镜的复振幅透过率为，由透镜成像的高斯公式可知式中，为透镜焦距。于是透镜的复振幅透过率可以简单地表示为，我们这里讨论最般的光路，即输入位于透镜前。如图所示，物体，置于透镜前处，用单位振幅的平面波照射该物，和是透镜两顶点处相切平面，按照光波传播的过程，依此求出物平面到平面，再由到平面，最后是平面到像平面时光场的分布情况。其中物平面到平面和平面到像平面的光波传播过程符合菲涅尔衍射条件，可由菲涅尔衍射公式计算，而到平面是透镜的位相变换。图透镜的傅里叶变换关系首先考虑个特殊情况，即。不考虑透镜孔径有限大小的限制，那么和平面上的光场分布分别为万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章光学加密的理论基础利用菲涅尔衍射公式，令，得，其中，，。更般的情况是不为，令，为物体透射光的傅里叶频谱为平面上光场的傅里叶频谱，即由菲涅尔传递函数得将和代入到中，得到不难发现，在式中，当时，就得到了准确的傅里叶变换。年阿贝提出的阿贝成像原理为现代变换光学奠定了基础。阿贝成像原理的现实意义在于它提供给人们种改变信息的方法，即可以通过改变频谱的方式来处理信息。在特定前提下，块透镜可以实现傅里叶变换如此繁琐的数学运算，从定意义上来讲，透镜的计算速度要比电子计算机快上几百倍甚至高达几万倍，因此透镜可以看作是台并行计算机。正是这些优势，使得透镜成为了光学加密算法中首选的光学器件，在光信息安全系统中，通常利用透镜将图像信息变换到频域，在频域对其频谱进行处理，然后再通过另个透镜将其变换到空域，从而实现对图像加密的目的。万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章光学加密的理论基础全息理论光学全息普通照相是依据透镜成像的几何光学原理，在感光片上只能记录下光波经过物体表面后反射光强的变化，即只能记录物体的振幅信息，物体的三维信息由于记录时丢失了光波的相位而无从记录。要想看到包含物体所有信息的三维像，就必须记录物光波的振幅和相位。但是目前的记录介质只能记录光强信息，为了同时记录下物光波的振幅和相位信息，那就需要将相位信息转变成强度信息，可以利用干涉原理，将物光波和参考光波进行干涉，并将干涉条纹的形式记录下来，使物光波的振幅信息和相位信息都存储在记录介质中，这种记录方式就是全息术，。全息术的成像过程主要分成两步波前记录和波前再现。波前记录波前记录是在记录介质上也就是全息图上，记录物光波和参考光波两个波前的干涉图样。设在全息记录平面上进行干涉的物光波和参考光波分别为则全息图的强度分布为，公式中第项与第二项依次对应的是参考光波和物光波的强度分布，光强与相位无关，仅与振幅有关。第三项是两个光波的干涉项，其中包括了物光波的振幅信息和相位信息。参考光波的作用就是实现将物光波的相位信息转变成强度分布。全息干板的作用与线性变换器相似，它把曝光时的入射光强线性地转换为显影后底片的振幅透过率。假定曝光量变化范围控制在全息干板振幅透过率曝光量曲线的线性段内，并且全息干板具备足够高的分辨率，则全息图的振幅透过率可用式表示式中和均为常数。波前再现万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章光学加密的理论基础当用原参考光照明全息图，投射光场可由四部分来表示由于般选用简单的平面波作为参考光波，因此，是常数，所以中也为常数，它仅仅改变了照明光波的振幅中是物光波的强度分布，它是不均匀的，也就是照明光波的振幅受到物光波强度的调制。可见和两项都只是改变了照明光波的振幅信息，基本保留其特性，是全息图衍射场的级波。中是参考光强度，那么也就是个常数，因此与物光波仅仅相差个常数因子，所以即是原物光波波前的准确再现，这项是全息图衍射场的级波。由于般取参考光波为正入射的平面波，所以在中，的系数为实数，也就是是原物光波的共轭光波。这项是全息图衍射场的级波。按记录的物光波的特点，全息图可分为菲涅尔全息图夫琅禾费全息图和傅里叶变换全息图。顾名思义，这三种全息图记录的不是物体本身的透射光波，而分别记录的是物体菲涅尔衍射图样夫琅禾费衍射图样和傅里叶频谱。由于菲涅尔衍射的限制条件没有夫琅禾费衍射那么苛刻，且可以转换成透镜的傅里叶变换，所以在本论文研究光学加密方法中，应用最广泛的就是菲涅尔全息图和傅里叶变换全息图。数字全息由于传统光学全息记录繁琐，数字全息术，的概念就是针对光学全息术在实际应用上的限制提出的。数字全息术的最大特点就是以光敏电子成像器件代替光学全息中的传统记录介质，记录的是离散化数字化的全息图，用计算机模拟参考光波，仿真全息图的衍射过程来再现全息图。它沿袭了光学全息的波前记录，但将波前再现过程交由计算机来实现，省去了光学方法中必需的曝光显影等物理化学处理过程。数字全息术是全息术发展的个重要进展，这种技术不仅增强了光学全息的实用性，而且在光学加密系统中也得到了广泛的应用。数字全息术的波前记录和波前再现过程可用图来表示，由三部分组成数字全息图的记录利用光电探测器获取物光波和参考光波干涉得到的全息图，并经过模数转换后传送给计算机并储存在计算机内数字全息图的数值再现该过程完全由计算机完成，这是数字全息术的核心部分输出再现图像和显示相关结果。万方数据单位代码密级公开硕士学位论文论文题目基于数字相移全息及图像置乱的光学混沌加密算法研究花丽丽徐宁光学光学信息安全理学硕士二〇四年二月学号姓名导师学科专业研究方向申请学位类别论文提交日期万方数据万方数据南京邮电大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人学位论文及涉及相关资料若有不实，愿意承担切相关的法律责任。南京邮电大学学位论文使用授权声明本人授权南京邮电大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档允许论文被查阅和借阅可以将学位论文的全部或部分内容编