eLight | 非线性光学图像加密技术

图像和视频已经逐渐成为人们主要的信息记录、交互方式。大量的图像信息在各种信息设备、互联网上存储、传播。同时，这些信息的安全性也日益引起人们的重视。目前，这些多媒体数据被当做文本数据进行处理，使用传统的加密方法，不仅处理速度慢，而且存在一定的安全隐患。

光学信息处理系统具有高速、大带宽的优点，因此被提出用来对图像进行加密，如双随机相位编码技术。然而，传统的基于线性光学处理系统的光学图像加密方法，虽然可以快速对大量图像数据进行加密，但其安全性存在一定的隐患。原因在于，传统光学加密系统明文与密文之间存在固有的线性关系，容易受到已知明文、选择明文等密码分析手段的攻击。传统光学图像加密系统安全性差的缺点，导致其无法真正被广泛使用。

近日，上海光机所信息光学与光电技术实验室 司徒国海 领导的科研团队提出一种新的光学图像加密方法。该方法基于光折变晶体的自相位调制技术，打破了传统光学图像加密系统固有的线性特征，首次实现了无论是加密速度还是安全性都大幅提升的光学图像加密。

该研究成果“Image encryption using spatial nonlinear optics”发表在卓越计划高起点新刊eLight（论文网址：https://doi.org/10.1186/s43593-021-00010-y）。来自香港理工大学的 Wen CHEN 教授为本文撰写了 News & Views，发表于 Light: Science & Applications（论文网址：https://doi.org/10.1038/s41377-021-00699-z）。

非线性光学图像加密技术是一种直接对光学图像进行加密的技术，整个加密过程都在光学系统中完成。其加密速度等同于光速，不依赖计算机的算力，可在瞬间完成。

该加密系统如图 1（a）所示，准备加密的图像可通过空间光调制器 A(SLM-A) 加载，经 4f 系统成像到投射到加密系统（Encryption system）输入端，输出端为加密后的图像，被 4f 系统成像到 CCD 相机表面，并用干涉法记录。

加密系统内部如图 1（b）所示，输入图像经过空间光调制器 P₁（SLM-P₁）加载的随机相位调制后，被 4f 系统成像到一块光子晶体（SBN:61）表面，经过光子晶体非线性传播后，4f 系统将其投射到加载随机相位的空间光调制器 P₂（SLM-P₂）上，再次对光束进行调制，最后通过 4f 系统将光束成像到另一块光子晶体表面，经晶体非线性传播后完成加密输出系统。

图 1：非线性光学图像加密系统

经过两次随机相位调制及非线性传播后，光学图像被加密成平稳的复随机白噪声。经密码学分析证明，非线性光学加密图像加密有很强的安全性。解密是加密的逆过程，在已知密钥的情况下可以用光学系统进行解密，同时也可以用数字全息的方式进行解密。

图 2 为非线性加密、解密的结果，其中图 2（a）为原文图像，经加密系统加密后，密文如图2（b）所示，可以看到密文完全随机分布，已经无法看到原文的信息。在已知密钥的情况下，密文被解密为图 2（c），此时原文信息已经完全恢复。

图 2：非线性加密、解密的结果

毫无疑问，一种可靠的加密技术必须具有很高的安全性。在密码学分析时，要遵从柯克霍夫原则：即使密码系统的任何细节已为人所知，只要密钥未泄露，他也应是安全的。以已知明文攻击为例，攻击者知道密文及其对应明文信息。并且试图通过这些信息得到加密系统的解密密钥，从而破解加密系统。在该条件下，密码分析问题最终会转化为单图像或多图像的相位恢复问题。

在线性光学系统下，双随机相位密钥会被一些相位恢复算法所恢复，即密码被破译。而非线性光学系统下，因光折变晶体的折射率分布与明文及其编码方式有关，不同的明文虽然经过同一个光学系统加密，但因非线性效应引起的折射率变化不一样，因而无法利用线性的多图像恢复算法获得有效的相位密钥，从而保证了系统的安全性。密码学分析表明，该技术可以有效抵御多种密码分析手段的攻击。

该项研究解决了长期以来困扰光学图像加密领域的安全性问题，从理论和实验上都取得了良好效果，使真正实现光学图像加密成为可能。

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