振幅调制和像素随机置换技术在双随机相位加密系统中的应用

摘要

随着计算机技术、通信和网络技术的迅速发展，信息安全问题也越来越受到人们的关注。光学信息处理作为一种“非数学的密码理论和技术”显示出极大的发展潜力并成为当前国际上的研究热点。但是，对于光学加密及解密的一系列理论和技术问题尚缺乏系统地研究。目前讨论较多的方案是由美国科学家Réfrégier和B.Javidi等提出的双随机相位编码加密系统。该系统提出后在光学信息安全领域得到了最为广泛的研究与应用，但其安全性始终未得到正式的证明。从密码分析学的角度对其安全性的正式分析或证明也鲜有报道。由于该系统采用4f系统的输出平面（像面）作为密文，这样无疑使得系统的明文和密文满足了物像关系，密码系统从本质上来说是一种线性系统。对线性系统而言，其明文、密文、密钥之间的函数依赖关系比较简单，这就为其安全性留下很大的隐患。近年来，双随机相位加密系统被指出存在安全隐患，不能抵抗各种已知明文攻击和选择明文攻击等。 本论文系统地综述了国内外光学信息安全领域相关的研究成果和进展，并对目前应用较多的双随机相位加密系统进行了安全性分析，同时提出了几种增强双随机相位加密系统的安全性及抗攻击能力的加密方法，即在传统的双随机相位加密系统中分别引入两种技术（振幅调制技术和像素随机置换技术），以扰乱系统原有的线性性质从而提高系统的抗攻击能力。其中的创新性工作主要包括以下几个方面： （1）提出了一种双随机相位-振幅加密系统，它是通过在传统的双随机相位加密系统中添加一个振幅调制器来实现。这个振幅调制器对所在的系统施加了一个秘密的振幅调制操作，因而它可以作为系统添加的一个密钥，且该密钥具有一定的隐蔽性，大大提高了系统的安全级别；更重要的是这个振幅调制操作可以扰乱传统的双随机相位加密系统的线性，从而保证系统可以抵抗一些基于相位恢复算法的攻击，例如已知明文攻击。论文中我们对该系统的可行性和有效性及抗已知明文攻击能力进行了一系列的计算机模拟验证。 （2）提出了一种基于像素随机置换技术的双随机相位加密系统，它是通过对传统的双随机相位加密系统加密后的密文施加一个像素随机置换技术来实现。该操作也可以作为系统添加的一个隐藏的密钥，提高了系统的安全性，同时一系列计算机模拟结果证明该系统可以抵抗各种攻击如剪切攻击、噪声攻击及已知明文攻击等。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 引言

1.1信息安全与密码学简介

1.1.1密码学

1.1.2密码系统的攻击方法

1.1.3密码系统的安全性

1.2光学信息安全系统概述

1.2.1光学安全认证系统

1.2.2光学加密系统的国内外研究进展

1.3双随机相位加密系统的安全性

1.4本论文的主要内容及章节安排

第二章 光学图像加密技术的原理及分类

2.1光波衍射理论

2.1.1基尔霍夫衍射理论

2.1.2菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射

2.1.3透镜的相位变换作用

2.1.4透镜的傅立叶变换

2.2光学图像加密技术概述

2.2.1双随机相位编码技术

2.2.2二次相位加密技术

2.2.3基于菲涅尔域的双随机相位编码技术

2.2.4纯相位加密技术

2.2.5基于衍射光学元件的光学图像加密技术

2.2.6基于相移干涉术的图像加密技术

2.2.7其他光学图像加密技术

2.3相位恢复算法在光学图像加密系统中的应用

2.3.1 GS算法的原理

2.3.2 IFT(迭代傅立叶变换)算法的原理

2.4小结

第三章 基于振幅调制的双随机相位-振幅加密系统

3.1双随机相位加密系统的安全隐患及几种典型的攻击方法

3.1.1 A.Carnicer等人的“选择密文攻击”方法

3.1.2 Peng.X等人的“已知明文攻击”方法

3.1.3 Peng.X等人的“选择明文攻击”方法

3.2双随机相位-振幅加密系统

3.3计算机模拟实验验证

3.3.1双随机相位-振幅加密系统的可行性验证

3.3.2双随机相位-振幅加密系统的各项参数对系统安全等级的影响

3.3.3双随机相位-振幅加密系统对已知明文攻击的抗攻击能力验证

3.4小结

第四章 基于像素随机置换技术的双随机相位加密系统

4.1像素置换技术

4.1.1数字图像的数字化表示

4.1.2像素置换技术

4.1.3像素随机置换技术的加密算法

4.2基于像素随机置换技术的双随机相位加密系统的原理

4.3计算机模拟实验验证

4.3.1基于像素随机置换技术的双随机相位加密系统的可行性验证

4.3.2系统抗剪切攻击能力验证

4.3.3系统抗噪声攻击能力验证

4.3.4系统抗已知明文攻击能力的验证

4.4小结

第五章 全文总结与展望

第六章 参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及获得的奖励