1、主要內容

光學信息安全領域采用光作為信息介質，其特點是具有高速和并行處理能力。此外，由于光的波長較短，它提供了很大的信息容量，并可以隱藏多個維度的數據，包括波長、振幅和相位。目前光學信息安全的主要技術包括雙隨機相位加密系統、全息術、疊層成像術、計算鬼成像、隱形視覺加密（VC）、壓縮感知、混沌系統、摩爾紋像素矩陣、二維碼、超表面和神經網絡。

隱形視覺加密（VC）是隨著擴展、豐富多彩、動態特性的提出而逐步改進的，沒有像素擴展VC。然而，VC的密文通常是純振幅和看似隨機的二進制圖像，很容易引起攻擊者的注意，可能導致加密失敗。

隱 形 VC 系 統

本文介紹了一種基于雙光復用的多圖像隱形VC系統。在衍射距離復用和波長復用條件下，秘密圖像的視覺秘鑰隱藏在菲涅耳域的相位秘鑰內。該方法通過雙光復用增強了系統的安全性，并保證了一定的信息隱藏能力。數值模擬和光學實驗結果表明，基于雙光復用的多圖像隱形VC系統是可行的。

2、理論

基于雙光復用的多圖像隱形VC系統的光學設置如圖1所示。根據秘密圖像生成的視覺秘鑰被分為兩組。對于具有固定波長的第一組，視覺秘鑰以不同的衍射距離隱藏在相位秘鑰1中。對于具有固定衍射距離的第二組，視覺秘鑰在不同波長條件下隱藏在相位秘鑰2中。在信息提取過程中，兩個相位秘鑰分別在不同的衍射距離和波長條件下通過菲涅耳域衍射生成兩組視覺秘鑰。將每組中相應的視覺秘鑰疊加在一起可以揭示秘密信息。

圖1.多圖像隱形系統的光學設置

2.1. 隱藏過程

本文所提出的信息隱藏系統的隱藏過程如圖2所示。首先，將秘密圖像編碼為四個視覺秘鑰，然后將其分為兩組。對于具有固定波長的第一組視覺秘鑰，采用相位檢索算法將兩個視覺秘鑰以不同的衍射距離嵌入到第一相位秘鑰中。對于具有固定衍射距離的第二組，在不同波長條件下，使用相同的算法將兩個視覺秘鑰嵌入到第二相位秘鑰中。因此，這在多個方面為隱藏系統提供了安全保護。此外，使用標準強度檢測方法很難直接檢測相位信息，有效地降低了攻擊的可能性，并顯著提高了系統的安全性。在解密過程中，只有當波長、衍射距離和相位秘鑰準確對齊，并且視覺秘鑰相互對應時，才能檢索到正確的秘密圖像。

圖2.基于雙光復用的多圖像隱形視覺加密隱藏過程

根據VC編碼原理，將兩個待隱藏的秘密圖像編碼為兩個視覺秘鑰。在不同的波長和衍射距離下，采用相位檢索算法將四個視覺秘鑰嵌入兩個純相位掩模中。本文以Gerchberg–Saxton算法為例。該算法的流程圖如圖3所示。

圖3.算法的流程圖

2.2. 提取過程

菲涅耳衍射是在兩個相位秘鑰各自的波長和衍射距離上進行的，產生兩組視覺秘鑰。隨后，通過對相應的視覺秘鑰對進行非相干疊加，可以獲得實際的秘密圖像。

課題組進行了一個光學實驗來驗證所提出的系統。該實驗旨在驗證相位秘鑰在菲涅耳域內的特定波長條件下是否能衍射產生不同的視覺秘鑰，以及在相同衍射距離下對應的視覺秘鑰是否能通過計算機處理進行非相干疊加以揭示秘密信息。實驗裝置如圖4所示。該裝置所用空間光調制器為UPOLabs反射式純相位SLM（型號：HDSLM45R）。

圖4.用于單波長實驗提取過程的光學裝置

此方案具有很強的適用性。相位秘鑰可以通過各種光學介質實現，如衍射光學元件、超表面、純相位SLM和透明材料，這些材料可以在不影響光的放大率的情況下改變光的相位。在提取秘密信息時，不一定需要嚴格的實驗條件。手持激光器照明由兩個相位秘鑰制成的衍射光學元件，可以在不同距離接收恢復的視覺秘鑰。將相應的恢復的視覺秘鑰投影到同一個白色屏幕上可以揭示秘密信息。

3.模擬與分析

3.1. 模擬

本文的雙光復用是指同時使用波長復用和衍射距離復用。波長和衍射距離的綜合效應擴大了秘鑰空間。在所提的方法中，從多個秘密圖像生成的視覺秘鑰可以同時隱藏在一個相位秘鑰中。在實際傳輸過程中，相位秘鑰可以制造為衍射光學元件。這種方法可以降低成本，提高實用價值，通過計算機模擬驗證了所提方案的可行性。如圖5所示，秘密圖像被編碼為四個視覺秘鑰。秘密信息的可視秘鑰分為兩組，以便單獨隱藏。

圖5.基于雙光復用的多圖像隱形視覺加密的流程圖

在提取過程中，在計算機中用平行光模擬兩個相位秘鑰的照明。在衍射距離和波長的設定條件下，再現視覺秘鑰。對應的視覺秘鑰非相干疊加后，可以通過人類的視覺系統提取秘密信息。通過評估該系統的提取質量證實了所提方法中兩個恢復圖像的平均相關系數較高，表明恢復質量更好。因此，該系統的提取質量是可以接受的。

3.2. 安全性和秘鑰敏感度分析

本文從兩個方面分析系統的安全性：IVC和光學密鑰，從三個方面對IVC和VC的安全性和隱私性進行評估。首先，IVC和VC都利用非相干疊加來檢索信息。但是，區別在于解密過程。IVC通過光衍射解密，而VC利用光透射。這使IVC在安全性方面具有更大的優勢。其次，該方法采用雙光秘鑰復用;通過使用衍射距離和波長作為秘鑰，它擴展了秘鑰空間并增強了系統的安全性。第三，將單個秘密圖像生成的兩個視覺秘鑰隱藏在兩個不同的相位秘鑰中。這可以防止竊聽者僅通過獲取其中一個相位秘鑰來獲取部分機密信息。這確保了系統的一定程度的隱私。隨后通過控制變量的方法探索了光學秘鑰的靈敏度。分析證實，該系統對光學秘鑰的變化高度敏感。這樣可以更好地保證系統的安全性。

圖6.安全性和秘鑰敏感性分析：（a）和（b）是恢復結果。（c） –（f）是噪聲信號。

3.3. 魯棒性分析

分析隱蔽系統的魯棒性至關重要。它直接影響到系統在面對各種干擾和攻擊時能否保持其功能，從而保證秘密信息的安全性和完整性。本文分析了所提出的方法對噪聲、阻塞和作弊的魯棒性，分析表明所提系統具有足夠的魯棒性。

圖7.不同噪聲強度下的相關系數

圖8.分塊分析：(a)和(b)是相位鍵，(c)以及(d)是解密結果。

3.4. 容量分析

隱藏能力的分析是確定光學隱藏系統可以隱藏的信息量的關鍵。本文分析了系統內可隱藏的圖像數量。在計算機模擬過程中使用簡單的二進制字母圖像來測試系統中可以隱藏的最大圖像數量。隨著圖像數量的增加，提取質量逐漸降低。通過測量視覺效果和PSNR來評估提取圖像的質量。經過測試發現所提系統能夠同時隱藏五個秘密圖像，秘密圖像分別編碼為兩個視覺秘鑰。如圖9。

圖9.隱藏五個圖像時的恢復結果：(a）-（e）是秘密圖像。(f） –（o）是提取結果。

在對隱藏能力的分析過程中，觀察到在不改變隱藏圖像的像素大小的情況下，改變仿真過程中獲得的視覺秘鑰幀的像素大小會影響輸出圖像的質量，當使用更高像素甚至更高的視覺秘鑰時，提取的圖像看起來更清晰，并且可隱藏圖像的數量可能會增加。

4、結論

綜上所述，本文提出了一種基于雙光復用的多圖像隱形VC技術。它不僅通過衍射距離和波長秘鑰確保系統的安全性，而且還允許隱藏多個圖像。在實際場景中可以將相位秘鑰制造成衍射光學元件。該方案可以在單個相位秘鑰中隱藏多個視覺秘鑰，從而節省衍射光學元件的使用成本并提供更高的實用性。除此之外，所提方法還可以應用于數字藝術品版權保護、個人隱私、數字現金等。此外，該方案還表現出一定程度的抗噪聲干擾能力，并通過光學實驗初步驗證了其實際效用。未來，該系統有望發展成為一種具有高安全性和實用價值的新型光學多圖像隱藏技術。