專利名稱：三維信息光學(xué)加密系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信息安全，特別是一種三維信息光學(xué)加密系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
信息的加密與防偽是當(dāng)今信息安全技術(shù)領(lǐng)域中的重要內(nèi)容，其中光學(xué)加密由于其具有高度并行性、高安全性、高速度和低成本等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。自1995年Refregier和Javidi提出了雙隨機(jī)相位加密技術(shù)(參見在先技術(shù)I, PhilippeRefregier, Bahram Javid1.0ptical image encryption based on input plane andFourier plane radom encoding, Optics Letters, 1995, 20(7):767-769.)之后，光學(xué)加密技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，出現(xiàn)了很多新的方法，例如:基于分?jǐn)?shù)傅里葉變換的加密技術(shù)(參見在先技術(shù)，2, G.Unnikrishnan, J.Joseph, K.Singh.0ptical encryptionby double-random phase encoding in the fractional Fourier domain.0pticsLetters.2000，25(12):887-889.)、基于菲涅爾變換的加密技術(shù)(參見在先技術(shù)3，OsamuMatoba, Bahram Javid1.Encrypted optical storage with waveIength-key and randomphase codes.Applied Optics.1999, 36 (5): 1054-1058.)、兩幅圖像同時(shí)加密(參見在先技術(shù) 4, Ran Tao, Yi Xin, Yue Wang.Double image encryption based on random phaseencoding in the fractional Fourier domain, Optics Express,2007, 15(24), 16067-16079),多副圖像同時(shí)加密方法(參見在先技術(shù)5, Y.Xiao, X.Zhou et al, Optical imageencryption topology, Optics Letters, 2009，34 (20)，3223-3225.)等。然而，現(xiàn)有的光學(xué)加密技術(shù)大多應(yīng)用于二維圖像的加密。隨著科技的進(jìn)步，物體的全場(chǎng)精密三維信息在很多應(yīng)用場(chǎng)合變得越來越重要，例如光學(xué)零件加工、機(jī)械零件制造、三維打印、三維顯示等。因此，大范圍三維信息的光學(xué)加密具有十分重要的意義。A.Nelleri 等(參見在先技術(shù) 6, A.Nelleri, J.Joseph, K.Singh, Digitalfresnel field encryption for three-dimensional information security.2007, Opt.Eng.46，045801)用全息技術(shù)實(shí)現(xiàn)了三維信息的光學(xué)加密。在先技術(shù)6采用的裝置如圖3所不，包括相干光源22、第一分束鏡23、第一反射鏡24、第二反射鏡25、第三反射鏡26、第二分束鏡27、CXD攝像機(jī)28和計(jì)算機(jī)29。相干光源22發(fā)出的平行相干光經(jīng)第一分束鏡23分成兩束，一束光依次經(jīng)過第一反射鏡24和第二分束鏡27反射照射到CXD攝像機(jī)28的鏡頭表面，該光束稱為參考光束，另一束光依次經(jīng)過第二反射鏡25、第三反射鏡26反射到三維物體29的表面，經(jīng)該三維物體表面散射的光通過第二分束鏡27照射到CXD攝像機(jī)28的表面，該光束稱為物光。物光光束與參考光束在CCD攝像機(jī)表面發(fā)生干涉形成加密全息圖像。計(jì)算機(jī)29控制CCD攝像機(jī)28采集加密全息圖像并存儲(chǔ)。在先技術(shù)6利用如圖3所示的裝置，采用菲涅爾域數(shù)字全息技術(shù)實(shí)現(xiàn)了三維信息加密，但是，因?yàn)槭艿饺⒂涗浺晥?chǎng)小的限制，在先技術(shù)6不能實(shí)現(xiàn)大范圍三維信息光學(xué)加密
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種三維信息光學(xué)加密系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)可以有效的實(shí)現(xiàn)大范圍三維信息的光學(xué)加密。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:一種三維信息光學(xué)加密系統(tǒng)，特點(diǎn)在于該系統(tǒng)包括一套加密裝置和一套解密裝置，其中加密裝置包括投影系統(tǒng)、參考平面、第一 CXD攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)、第一空間光調(diào)制器、第二空間光調(diào)制器、第一透鏡、第三空間光調(diào)制器、第二透鏡、第二 CXD攝像機(jī)、第一光源、第二光源，所述的解密裝置包括第四空間光調(diào)制器、第三透鏡、第五空間光調(diào)制器、第四透鏡、第六空間光調(diào)制器、第三CCD攝像機(jī)、第三光源和第四光源，所述的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡相同，第一光源、第二光源、第三光源和第四光源相同，所述的投影系統(tǒng)、參考平面、第一 CCD攝像機(jī)組成結(jié)構(gòu)光投影編碼系統(tǒng)，參考平面在投影系統(tǒng)的投影范圍內(nèi)并在第一 CCD攝像機(jī)的視場(chǎng)內(nèi)，投影系統(tǒng)的光軸和第一 CXD攝像機(jī)光軸的夾角在20°和60°之間，所述的第一空間光調(diào)制器、第二空間光調(diào)制器、第一透鏡、第三空間光調(diào)制器、第二透鏡和第二 CXD攝像機(jī)組成加密4f系統(tǒng)，第一空間光調(diào)制器為該4f系統(tǒng)的輸入端，第二 CCD攝像機(jī)的表面為該4f系統(tǒng)的輸出端，所述的投影系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)控制下產(chǎn)生結(jié)構(gòu)條紋并投影到參考平面，參考平面上的條紋稱為參考條紋，該條紋經(jīng)放置于所述的參考平面上的待加密物體表面調(diào)制產(chǎn)生變形稱為變形條紋，第一 CCD攝像機(jī)在計(jì)算機(jī)(4)的控制下采集所述的變形條紋和參考條紋并存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中，帶有數(shù)據(jù)處理程序的計(jì)算機(jī)對(duì)所述的變形條紋和參考條紋進(jìn)行強(qiáng)度歸一化，并分別以歸一化后的變形條紋和參考條紋為相位和幅值組成一個(gè)二維復(fù)信號(hào)稱為編碼二維信號(hào)，計(jì)算機(jī)將編碼二維信號(hào)輸入第一空間光調(diào)制器、第二空間光調(diào)制器和第三空間光調(diào)制器，在計(jì)算機(jī)的控制下產(chǎn)生兩個(gè)相互獨(dú)立的隨機(jī)數(shù)矩陣稱為隨機(jī)相位板；第一光源以平行相干光垂直照明加密4f系統(tǒng)的輸入端，在輸出端與第二光源發(fā)出的平行相干光發(fā)生干涉，第二 CCD攝像機(jī)在計(jì)算機(jī)的控制下采集并存儲(chǔ)密文圖像。所述的第四空間光調(diào)制器、第三透鏡、第五空間光調(diào)制器、第四透鏡、第三C⑶攝像機(jī)組成解密4f系統(tǒng)，第四空間光調(diào)制器為該4f系統(tǒng)的輸入端，第三CXD攝像機(jī)的表面為該4f系統(tǒng)的輸出端，第六空間光調(diào)制器貼近第四透鏡的后表面，計(jì)算機(jī)分別將密文圖像、加密用兩個(gè)隨機(jī)相位板的共軛為密鑰輸入第四空間光調(diào)制器、第五空間光調(diào)制器和第六空間光調(diào)制器，第三光源以平行相干光照明解密4f系統(tǒng)的輸入端，在解密4f系統(tǒng)的輸出端與第四光源發(fā)出的平行相干光發(fā)生干涉，第三CCD攝像機(jī)采集解密信號(hào)并將其存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)
(4)。利用上述三維信息光學(xué)加密系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三維信息加密的方法包含加密和解密兩個(gè)過程:(一)三維信息加密過程包括如下步驟: ①結(jié)構(gòu)光投影編碼三維信息:計(jì)算機(jī)產(chǎn)生正弦結(jié)構(gòu)條紋并控制投影系統(tǒng)投影正弦結(jié)構(gòu)條紋到參考平面的表面形成參考條紋圖像，第一 CCD攝像機(jī)采集到的參考條紋圖像為:g0 (x, y) = a (x, y) +b (χ, y) cos [2 τι f0x+ Φ0(χ, y)],其中，a(x, y)為背景光，其中，b(x, y)為調(diào)制度，
其中，fQ為空間頻率，其中，(K(X，y)為參考平面的調(diào)制相位，將待加密物體放置于參考平面上，第一 CXD攝像機(jī)拍攝到的變形條紋為:g (X，y) = a (x, y) +b (x, y) cos [2 π f0x+ φ (χ, y)]，其中，φ (χ, y)為待加密物體表面的調(diào)制相位，待加密物體的三維高度信息已經(jīng)加密至第一 CXD攝像機(jī)拍攝到的參考條紋和變形條紋的相位信息中。待加密物體三維高度信息和變形條紋圖與參考條紋圖調(diào)制相位差之間的關(guān)系為:
權(quán)利要求
1.一種三維信息光學(xué)加密系統(tǒng)，包括一套加密裝置和一套解密裝置，其特征在于: 所述的加密裝置包括投影系統(tǒng)(I)、參考平面(2)、第一 CXD攝像機(jī)(3)、計(jì)算機(jī)(4)、第一空間光調(diào)制器(5)、第二空間光調(diào)制器(6)、第一透鏡(7)、第三空間光調(diào)制器(8)、第二透鏡(9)、第二 CXD攝像機(jī)(10)、第一光源(11)和第二光源(12);所述的解密裝置包括、第三透鏡(14)、第五空間光調(diào)制器(15)、第四透鏡(16)、第六空間光調(diào)制器(17)、第三CXD攝像機(jī)(18)、第三光源(19)和第四光源(20)； 所述的第一透鏡(7)、第二透鏡(9)、第三透鏡(14)和第四透鏡(16)結(jié)構(gòu)相同，所述的第一光源(11)、第二光源(12)、第三光源(19)和第四光源(20)結(jié)構(gòu)相同，所述的投影系統(tǒng)(I)、第一 CXD攝像機(jī)(3)、第一空間光調(diào)制器(5)、第二空間光調(diào)制器(6)、第三空間光調(diào)制器(8)、第二 CXD攝像機(jī)(10)、第四空間光調(diào)制器(13)、第五空間光調(diào)制器(15)、第六空間光調(diào)制器(17)和第三CXD 攝像機(jī)(18)與所述的計(jì)算機(jī)(4)相連； 所述的參考平面(2)在投影系統(tǒng)(I)的投影范圍內(nèi)并在第一 CCD攝像機(jī)(3)的視場(chǎng)內(nèi)，所述的投影系統(tǒng)(I)的光軸和第一 CXD攝像機(jī)(3)光軸的夾角在20° 60°之間，所述的投影系統(tǒng)(I)、參考平面(2)和第一 CXD攝像機(jī)(3)組成結(jié)構(gòu)光投影編碼系統(tǒng)，所述的第一空間光調(diào)制器(5)、第二空間光調(diào)制器(6)、第一透鏡(7)、第三空間光調(diào)制器(8)、第二透鏡(9)和第二 CXD攝像機(jī)(10)依次組成加密4f系統(tǒng)，稱為雙隨機(jī)相位編碼系統(tǒng)，第一空間光調(diào)制器(5)為該4f系統(tǒng)的輸入端，第二 CXD攝像機(jī)(10)的表面為該4f系統(tǒng)的輸出端，所述的投影系統(tǒng)(I)在所述的計(jì)算機(jī)(4)控制下輸出結(jié)構(gòu)條紋并投影到參考平面(2)上，參考平面上的條紋稱為參考條紋，該條紋經(jīng)放置于所述的參考平面(2)上的待加密物體的表面調(diào)制產(chǎn)生變形稱為變形條紋，第一 CCD攝像機(jī)(3)在計(jì)算機(jī)(4)的控制下采集所述的變形條紋和參考條紋并存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)(4)中，該計(jì)算機(jī)(4)對(duì)所述的變形條紋和參考條紋進(jìn)行強(qiáng)度歸一化，并分別以歸一化后的變形條紋和參考條紋為相位和幅值組成一個(gè)二維復(fù)信號(hào)，稱為編碼二維信號(hào)，該計(jì)算機(jī)(4)將所述的編碼二維信號(hào)輸入所述的第一空間光調(diào)制器(5)，所述的第二空間光調(diào)制器(6)和第三空間光調(diào)制器(8)在計(jì)算機(jī)(4)的控制下產(chǎn)生兩個(gè)相互獨(dú)立的隨機(jī)數(shù)矩陣稱為隨機(jī)相位板；所述的第一光源(11)以平行相干光垂直照明所述的加密4f系統(tǒng)的輸入端，在輸出端與第二光源(13)發(fā)出的平行相干光發(fā)生干涉，第二CXD攝像機(jī)(10)在計(jì)算機(jī)(4)的控制下采集并存儲(chǔ)密文圖像； 依次的第四空間光調(diào)制器(13)、第三透鏡(14)、第五空間光調(diào)制器(15)、第四透鏡(16)、第六空間光調(diào)制器(17)和第三CXD攝像機(jī)(18)組成解密4f系統(tǒng)，第四空間光調(diào)制器(13 )為該4f系統(tǒng)的輸入端，第三CXD攝像機(jī)(18 )的表面為該4f系統(tǒng)的輸出端，第六空間光調(diào)制器(17)貼近第四透鏡(16)的后表面，所述的計(jì)算機(jī)(4)分別將密文圖像、加密用兩個(gè)隨機(jī)相位板的共軛為密鑰輸入所述的第四空間光調(diào)制器(13)、第五空間光調(diào)制器(15)和第六空間光調(diào)制器(17)，第三光源(19)以平行相干光照明所述的解密4f系統(tǒng)的輸入端，在解密4f系統(tǒng)的輸出端與第四光源(20)發(fā)出的平行相干光發(fā)生干涉，第三CXD攝像機(jī)(18)采集解密信號(hào)并將其存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)(4 )。
2.用權(quán)利要求1所述的三維信息光學(xué)加密系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三維信息加密和解密的方法，特征在于包含加密和解密兩個(gè)過程: (一)三維信息加密過程包括如下步驟: ①結(jié)構(gòu)光投影編碼三維信息:所述的計(jì)算機(jī)(4)產(chǎn)生正弦結(jié)構(gòu)條紋并控制投影系統(tǒng)(I)將正弦結(jié)構(gòu)條紋投影到參考平面(2)的表面形成參考條紋圖像，第一 CCD攝像機(jī)(3)采集所述的參考條紋圖像并輸入所述的計(jì)算機(jī)(4)，該參考條紋圖像為:
全文摘要
一種三維信息光學(xué)加密系統(tǒng)和方法，所述系統(tǒng)一套加密裝置和一套解密裝置，所述方法首先采用結(jié)構(gòu)光投影編碼系統(tǒng)將待加密物體的三維信息編碼至二維光學(xué)條紋圖像中，然后通過雙隨機(jī)相位編碼系統(tǒng)增強(qiáng)二維光學(xué)條紋圖像的安全性。本發(fā)明可以有效實(shí)現(xiàn)物體的三維信息加密，并可以擴(kuò)大加密物體的大小范圍。
文檔編號(hào)G06T9/00GK103093492SQ201310021379
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2013年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月21日
發(fā)明者李思坤, 王向朝, 步揚(yáng), 劉曉雷 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所