CN108663800B - 光学加密与解密方法、装置及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学加密与解密方法、装置与***，该方法包括如下步骤：对测量光路中的单色激光束进行光学调制以得到预制相干光源，预制相干光源对应有一入射光光强；获取预制相干光源对目标物体透射后对应的透射光强，根据透射光强以及所述入射光光强计算得到目标物体的透射率；根据目标物体的透射率以及参考光路的光强，按照预设加密公式对目标物体进行加密作业；根据测量光路中的透射光强以及参考光路中的光强，按照预设解密公式对目标物体进行解密作业。本发明提出的光学加密与解密方法，具有较高的加密效率以及保密特性，提高了实际应用性能。

Description

光学加密与解密方法、装置及***

技术领域

本发明涉及光学信息安全领域，特别涉及一种光学加密与解密方法、装置及***。

背景技术

随着计算机技术、云计算、物联网等技术的高速发展，目前我国已经进入了互联网的大数据时代。如何保证大量数据的有效传递以及数据的信息安全，成为了当今信息技术领域的一个重大难题。近年来，一种新型的光学加密技术受到了人们的普遍关注，由于该技术具有通过相位、波长以及频率等多个维度进行加密的特点，目前已经被广泛应用于信息安全和图像加密领域。为了进一步提高光学加密技术的抗干扰性，最近人们提出了一种基于热光关联的光学加密技术。

基于热光关联的学加密技术依靠两条光路的强度涨落关联来完成对目标物体的加密和解密过程。具体的：(1)一条光路经过物体后由一个单像素探测器进行总的光强度测量，称之为测试光路，由于单像素探测器对物体只做光总强度测量而并不进行空间分辨，该过程可视为对目标物体进行加密的过程；(2)另一条光路经自由空间传播后由一个面探测器进行强度测量，称为参考光路。通过对两条光路探测到的强度信号进行关联运算，便可恢复目标物体的图像信息，这一过程可似为光学解密。由于加密过程中使用的是无分辨能力的单像素探测器，避免了传统光学加密***中因使用易受环境因素干扰的面探测器而导致信息失真的不足。

然而，上述的基于热光关联的光学加密技术在实际应用中至少存在以下技术问题：

(1)由于热光源的非正交特性，对目标物体完成一次高质量的光学加密需要重复采集大量数据，导致该***的信息加密效率较低；

(2)由于热光源的分布特性会随着传播距离不同而改变，这不利于实现对远程目标物体、动态物体的加密。

发明内容

为此，本发明的目的是为了至少解决上述技术问题中的其中之一，特提出一种可对远程目标物体进行信息安全处理的光学加密与解密方法、装置及***。

本发明提出一种光学加密与解密方法，其中，设置至少两条光路，包括测量光路以及参考光路，所述方法包括如下步骤：

对所述测量光路中的单色激光束进行光学调制以得到预制相干光源，所述预制相干光源对应有一入射光光强；

获取所述预制相干光源对目标物体透射后对应的透射光强，根据所述透射光强以及所述入射光光强计算得到所述目标物体的透射率；

根据所述目标物体的透射率以及所述参考光路的光强，按照预设加密公式对所述目标物体进行加密作业；

根据所述测量光路中的所述透射光强以及所述参考光路中的光强，按照预设解密公式对所述目标物体进行解密作业。

本发明提出的光学加密与解密方法，首先对传统的单色激光束进行光学调制，得到预制相干光源后，在测量光路中将该预制相干光源照射目标物体，根据前后的光强计算得到该目标物体的透射率；再根据该透射率以及参考光路的光强对目标物体进行加密作业；此外，也可根据参考光路中的光强以及透射光强对上述的目标物体进行解密作业。在本发明中，由于得到的预制相干光源的正交特性，可大幅度地减少采样次数，从而实现高效的光学加密，有利于对动态物体进行加密；此外，该预制相干光源具有平移不变性，使得光强在经远距离传输后其分布特性不发生改变，有利于对远程物体进行加密。

所述光学加密与解密方法，其中，所述方法还包括：

当判断到所述参考光路的传播距离，和所述预制相干光源与所述目标物体之间的距离相等时，则对所述目标物体进行所述加密作业或所述解密作业。

所述光学加密与解密方法，其中，经调制后得到的所述预制相干光源的所述入射光光强的表达式为：

其中，

为所述入射光光强，j为复数，n为光源产生的次数，τ为所述预制相干光源的周期。

所述光学加密与解密方法，其中，所述参考光路的光强的表达式为：

其中，

为所述参考光路的光强，a为与所述参考光路的传播距离相关的修正参数。

所述光学加密与解密方法，其中，在所述测量光路中对所述目标物体进行加密，所述预设加密公式的表达式为：

其中，

为加密过程中在所述测量光路中所探测到的光强，T(x)为所述目标物体的透射率。

所述光学加密与解密方法，其中，所述预设解密公式的表达式为：

其中，O(x)为所述目标物体的图像信息，<B>为所述测量光路中所探测到的光强的平均值，N为总测量次数。

所述光学加密与解密方法，其中，所述总测量次数不大于200次。

本发明还提出一种光学加密与解密装置，其中，设置至少两条光路，包括测量光路以及参考光路，所述装置包括：

光学调制模块，用于对所述测量光路中的单色激光束进行光学调制以得到预制相干光源，所述预制相干光源对应有一入射光光强；

光学计算模块，用于获取所述预制相干光源对目标物体透射后对应的透射光强，根据所述透射光强以及所述入射光光强计算得到所述目标物体的透射率；

光学加密模块，用于根据所述目标物体的透射率以及所述参考光路的光强，按照预设加密公式对所述目标物体进行加密作业；

光学解密模块，用于根据所述测量光路中的所述透射光强以及所述参考光路中的光强，按照预设解密公式对所述目标物体进行解密作业。

本发明还提出一种光学加密与解密***，其中，设置至少两条光路，包括测量光路以及参考光路，所述***包括：用于生成单色激光束的激光器、用于对所述单色激光束进行光学调制的空间光调制器以及用于接收透射光的单像素探测器，所述***应用如上所述的光学加密与解密方法。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明第一实施例提出的光学加密与解密方法的流程图；

图2为本发明第二实施例提出的光学加密与解密***的结构示意图；

图3为本发明第二实施例中传统热光源的实验图像；

图4为本发明第二实施例中采用传统热光源解密后的目标物体的实验图像；

图5为本发明第二实施例中预制相干光源的实验图像；

图6为本发明第二实施例中采用预制相干光源解密后的目标物体的实验图像；

图7为本发明第三实施例提出的光学加密与解密装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”以及类似的表述只是为了说明的目的，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

在现有技术中，由于热光源的分布特性会随着传播距离不同而改变，这不利于实现对远程目标物体、动态物体的加密。

为了解决这一技术问题，本发明提出一种光学加密与解密方法，请参阅图1，对于本发明第一实施例提出的光学加密与解密方法，设置至少两条光路，包括测量光路以及参考光路，其包括如下步骤：

S101，对所述测量光路中的单色激光束进行光学调制以得到预制相干光源，所述预制相干光源对应有一入射光光强。

利用传统的热光源所产生的光线为单色激光束，为了避免由于传统热光源本身的缺陷(非正交特性以及热光源分布特性)所造成的对加密解密作业的影响。在本实施例中，采用空间光调制器对单色激光束进行光学调制以得到预制相干光源。在此需要指出的是，上述的预制相干光源为复指数整形相干光源，该光源设置在测量光路中，可以理解的，该复指数整形相干光源对应有一入射光光强。

S102，获取所述预制相干光源对目标物体透射后对应的透射光强，根据所述透射光强以及所述入射光光强计算得到所述目标物体的透射率。

在本发明中，我们需要对一目标物体，利用得到的复指数整形相干光源对该目标物体进行加密以及解密。在测量光路中，上述的复指数整形相干光源，也即预制相干光源照射在该目标物体上。

可以理解的，在复指数整形相干光源照射目标物体后，该目标物体的背面对应有一透射光强。由于已知复指数整形相干光源的入射光光强，因此可以根据上述的透射光强以及入射光光强计算得到该目标物体的透射率。

S103，根据所述目标物体的透射率以及所述参考光路的光强，按照预设加密公式对所述目标物体进行加密作业。

在本发明中，设置了两条光路，分别为测量光路以及参考光路。在计算确定了目标物体的透射率之后，由于参考光路的光强为已知，因此可根据目标物体的透射率与参考光路的光强，对上述的目标物体进行加密作业。

S104，根据所述测量光路中的所述透射光强以及所述参考光路中的光强，按照预设解密公式对所述目标物体进行解密作业。

如上所述，测量光路中的透射光强以及参考光路中的光强为已知，在进行解密时，根据透射光强以及参考光路中的光强可对目标物体进行解密，以得到目标物体的图像信息。

本发明提出的光学加密与解密方法，首先对传统的单色激光束进行光学调制，得到预制相干光源后，在测量光路中将该预制相干光源照射目标物体，根据前后的光强计算得到该目标物体的透射率；再根据该透射率以及参考光路的光强对目标物体进行加密作业；此外，也可根据参考光路中的光强以及透射光强对上述的目标物体进行解密作业。在本发明中，由于得到的预制相干光源的正交特性，可大幅度地减少采样次数，从而实现高效的光学加密，有利于对动态物体进行加密；此外，该预制相干光源具有平移不变性，使得光强在经远距离传输后其分布特性不发生改变，有利于对远程物体进行加密。

下面以一个具体的实例对本发明的技术方案进行更为详细地叙述，请参阅图2至图6，对于本发明第二实施例提出的光学加密与解密方法，其具体实施方式如下所述：

首先通过空间光调制器对单色激光束进行光学调制以得到复指数整形相干光源。其中，该复指数整形相干光源对应有一入射光光强，其对应的表达式为：

其中，

为入射光光强，j为复数，n为光源产生的次数，τ为复指数整形相干光源的周期。

在测量光路中，该复指数整形相干光源照射在目标物体上，该目标物体具有一定的透射率，在该目标物体的背面对应有一透射光强。可以理解的，通过该透射光强以及上述的入射光光强，可以计算得到该目标物体的透射率。

在此需要指出的是，由于在本发明中设置有两条光路，分别为测量光路以及参考光路。在该参考光路中，对应有一参考光路的光强，参考光路的光强可用如下公式进行表示：

其中，

为参考光路的光强，a为与参考光路的传播距离相关的修正参数。

本实施例提出一种光学加密与解密***，包括：用于生成单色激光束的激光器11、用于对单色激光束进行光学调制的空间光调制器12以及用于接收透射光的单像素探测器14。此外，还包括用于进行加密与解密计算的处理器15。

在实际加密过程中，测量光路中的激光器11生成单色激光束，单色激光束照射在空间光调制器12上，该空间光调制器12对该单色激光束进行光学调制，以得到复指数型相干光源，然后将预制的复指数型相干光源照射到目标物体13上，经过目标物体13后的透射光由单像素探测器14进行收集。在此需要指出的是，上述的整个过程需要重复N次。

在加密步骤中，由于已经获得了目标物体的透射率以及参考光路的光强，因此处理器15可根据下述公式进行加密：

其中，

为加密过程中在测量光路中所探测到的光强，T(x)为目标物体的透射率。

在此需要特别说明的是，在进行加密作业时，需当判断到参考光路的传播距离，和复指数型相干光源与目标物体之间的距离相等时，才对上述的目标物体进行加密作业。

在实际应用中，还需要对已经加密的物体图像进行解密作业。具体的，在本实施例中，根据下式对目标物体进行解密：

其中，O(x)为目标物体的图像信息，<B>为测量光路中所探测到的光强的平均值，N为总测量次数。

传统热光源的实验图像如图3所示，当光源为传统的热光源时，总测量次数为10000次，也即N＝10000，才能实现信息还原，还原后得到的目标物体的图像如图4所示。

复指数型整形相干光源的实验图像如图5所示，当光源为复指数型整形相干光源时，总测量次数为200次，也即N＝200，便可实现信息还原，还原后得到的目标物体的图像如图6所示。

综合比较图4与图6可以看出：采用复指数型整形相干光源同样可实现对目标物体的加密与解密，且总测量次数大大减少，明显提高了实际的加密解密效率。

本实施例提出的光学加密与解密方法，首先对传统的单色激光束进行光学调制，得到预制相干光源后，在测量光路中将该预制相干光源照射目标物体，根据前后的光强计算得到该目标物体的透射率；再根据该透射率以及参考光路的光强对目标物体进行加密作业；此外，也可根据参考光路中的光强以及透射光强对上述的目标物体进行解密作业。在本发明中，由于得到的预制相干光源的正交特性，可大幅度地减少采样次数，从而实现高效的光学加密，有利于对动态物体进行加密；此外，该预制相干光源具有平移不变性，使得光强在经远距离传输后其分布特性不发生改变，有利于对远程物体进行加密。

请参阅图7，对于本发明第三实施例提出的光学加密与解密装置，其中，设置至少两条光路，包括测量光路以及参考光路，所述装置包括依次连接的光学调制模块21、光学计算模块22、光学加密模块23以及光学解密模块24；

其中所述光学调制模块21具体用于：

对所述测量光路中的单色激光束进行光学调制以得到预制相干光源，所述预制相干光源对应有一入射光光强；

所述光学计算模块22具体用于：

获取所述预制相干光源对目标物体透射后对应的透射光强，根据所述透射光强以及所述入射光光强计算得到所述目标物体的透射率；

所述光学加密模块23具体用于：

根据所述目标物体的透射率以及所述参考光路的光强，按照预设加密公式对所述目标物体进行加密作业；

所述光学解密模块24具体用于：

根据所述测量光路中的所述透射光强以及所述参考光路中的光强，按照预设解密公式对所述目标物体进行解密作业。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行***、装置或设备(如基于计算机的***、包括处理器的***或其他可以从指令执行***、装置或设备取指令并执行指令的***)使用，或结合这些指令执行***、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行***、装置或设备或结合这些指令执行***、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行***执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种光学加密与解密方法，其特征在于，设置至少两条光路，包括测量光路以及参考光路，所述方法包括如下步骤：

对所述测量光路中的单色激光束进行光学调制以得到预制相干光源，所述预制相干光源为复指数整形相干光源，所述预制相干光源对应有一入射光光强；

经调制后得到的所述预制相干光源的所述入射光光强的表达式为：

其中，

为所述入射光光强，j为复数，n为光源产生的次数，τ为所述预制相干光源的周期；

获取所述预制相干光源对目标物体透射后对应的透射光强，根据所述透射光强以及所述入射光光强计算得到所述目标物体的透射率；

根据所述目标物体的透射率以及所述参考光路的光强，按照预设加密公式对所述目标物体进行加密作业；

在所述测量光路中对所述目标物体进行加密，所述预设加密公式的表达式为：

其中，

为加密过程中在所述测量光路中所探测到的光强，T(x)为所述目标物体的透射率，

为所述参考光路的光强；

根据所述测量光路中的所述透射光强以及所述参考光路中的光强，按照预设解密公式对所述目标物体进行解密作业；

所述预设解密公式的表达式为：

其中，O(x)为所述目标物体的图像信息，<B>为所述测量光路中所探测到的光强的平均值，N为总测量次数。

2.根据权利要求1所述的光学加密与解密方法，其特征在于，所述方法还包括：

当判断到所述参考光路的传播距离，和所述预制相干光源与所述目标物体之间的距离相等时，则对所述目标物体进行所述加密作业或所述解密作业。

3.根据权利要求1所述的光学加密与解密方法，其特征在于，所述参考光路的光强的表达式为：

其中，a为与所述参考光路的传播距离相关的修正参数。

4.根据权利要求1所述的光学加密与解密方法，其特征在于，所述总测量次数不大于200次。

5.一种光学加密与解密装置，其特征在于，设置至少两条光路，包括测量光路以及参考光路，所述装置包括：

光学调制模块，用于对所述测量光路中的单色激光束进行光学调制以得到预制相干光源，所述预制相干光源为复指数整形相干光源，所述预制相干光源对应有一入射光光强；

经调制后得到的所述预制相干光源的所述入射光光强的表达式为：

其中，

为所述入射光光强，j为复数，n为光源产生的次数，τ为所述预制相干光源的周期；

光学计算模块，用于获取所述预制相干光源对目标物体透射后对应的透射光强，根据所述透射光强以及所述入射光光强计算得到所述目标物体的透射率；

光学加密模块，用于根据所述目标物体的透射率以及所述参考光路的光强，按照预设加密公式对所述目标物体进行加密作业；

在所述测量光路中对所述目标物体进行加密，所述预设加密公式的表达式为：

其中，

为加密过程中在所述测量光路中所探测到的光强，T(x)为所述目标物体的透射率，

为所述参考光路的光强；

光学解密模块，用于根据所述测量光路中的所述透射光强以及所述参考光路中的光强，按照预设解密公式对所述目标物体进行解密作业；

所述预设解密公式的表达式为：

其中，O(x)为所述目标物体的图像信息，<B>为所述测量光路中所探测到的光强的平均值，N为总测量次数。

6.一种光学加密与解密***，其特征在于，设置至少两条光路，包括测量光路以及参考光路，所述***包括：用于生成单色激光束的激光器、用于对所述单色激光束进行光学调制的空间光调制器以及用于接收透射光的单像素探测器，所述***应用如上述权利要求1至4任意一项所述的光学加密与解密方法。

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