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1、调 查 研 究 报 告调 查 研 究 报 告 数字全息技术及其在信息安全中的应用研究数字全息技术及其在信息安全中的应用研究 （ （ 2013 2014 学年 第 学年 第 2 学期 ）学期 ） 课程名称： 课程名称： 多媒体安全管理多媒体安全管理 姓 名：姓 名：韩成文韩成文 学 院：学 院：工学院工学院 专 业：专 业：机械系机械系 年 级： 年 级： 2012 级级 学 号：学 号：2114020694 数字全息技术及其在信息安全中的应用研究数字全息技术及其在信息安全中的应用研究 ( 延边大学 2012 级机械系 韩成文 2114020694 吉林省 延吉市 133002 ) 指导教师：李
2、德 摘要摘要：随着数字通信和计算机网络技术的迅猛发展，社会进入信息时代信息技术给人们带来巨大便利的同时 也对信息安全提出了更高的要求以密码学为基础的传统的数字加密技术面对海量信息和高速处理的要求力不 从心，而光学信息处理以光速进行，而且具有并行的特点；光波具有很高的时间频率以及相应的短波长，能处 理的信息量很大所以，光学信息技术为有效解决目前信息技术面临的海量信息与处理速度受限的困难提出新 的希望把光学系统的高速、 大容量特点和现有的密码学理论与技术有效结合起来，需要信息光学、 密码学和计 算机科学的紧密结合而具体应用有赖于切实可行的算法的研究以及高集成度、 便携式、 节能、 耐用的微光电子
3、器件的发展基于光学信息处理的数字全息技术可以成功地用数学的方法模拟光学信息处理的过程，如光的传 播、 干涉、 衍射、 透镜的傅里叶变换以及全息记录和重建等，它具有变换灵活、 实施方便、 自由度大等优点，已成 为信息光学的一个重要分支研究者提出了种种数字全息图像加密方法，其中随机相位板的引入为实现图像加 密提供了极高的安全性，得到广泛的应用 关键词关键词：数字全息、傅立叶谱、加密技术、CCD、光学 1 1、信息光学的成长历程信息光学的成长历程 信息光学的诞生信息光学的诞生 经典光学主要分为两部分，几何光学和波动光学。经过几百年漫长的道路，这两部分都已发展接 近成熟利用几何光学和波动光学非常成功地
4、解释了大部分光学现象和光学效应但在二十世纪中 叶，光学作为物理学的一个分支，发生了深刻的变化 11948年，全息术的诞生，物理学家第一次精确地拍摄下一张立体的物体像，它几乎记录了光 波所携带的全部信息(这正是“全息”名称的来历)！ 21955年，科学家第一次提出“光学传递函数”的新概念，并用它来评价光学镜头的成像质量 31960年，一种全新的光源一激光器诞生了，它的出现极大地推动了相关学科的发展 由于激光器的应用，全息术获得了新的生命全息术和光学传递函数的概念结合，使光学研究 不再限于用光强、振幅的空间分布来描述光学图像，而把图像看作是由缓慢变化的背景等比较低的 “空间频率”成分和急剧变化的细
5、节等比较高的“空间频率”成分构成的，用空间频率的分布和变 化来描述光学图像一门新的学科一信息光学(傅立叶光学)同从传统的经典波动光学中脱颖而出 全息光学的兴起全息光学的兴起 (1)(1)从瑞利判据到全息术的发明从瑞利判据到全息术的发明 尽管近代全息术总与激光联系在一起，全息术的思想却在激光出现大约30年前就萌生出来了 实际上，全息术思想与显微技术有着不解之缘首先提出全息术思想的是英国物理学家伽柏他是 在研究显微镜的分辨本领时产生这一思想的 根据波动光学理论。任何光学成像系统能分辨目标的最小间隔都有一定的限度英国物理学家瑞 利曾给出光学系统分辨细节能力的判别标准，它称为瑞利判据瑞利判据已成为估算
6、和比较光学系 统分辨本领的统一标准，它是光学仪器性能的重要指标之一按照瑞利判据，显微镜的最小分辨率 为w=061NA伉为入射光波波长，NA为显微镜的数值孔径)1934年，伽柏正在一家英国公司实验 室工作，他的任务是提高电子显微镜的分辨本领尽管电子显微镜的分辨本领已经比最好的光学显 微镜提高了近百倍，但仍不足以分辨晶格主要障碍来自相互制约的两个方面一球差和衍射差为 了兼顾两者。不得不把电子显微镜的孔径角限制在5xlO。弧度，此时所能分辨的最小间隔为04rim, 而分辨晶格至少需要可分辨间隔为02rim这一长时间难以克服的困难，使伽柏认识到，不能再沿 原路思考这一问题由电子衍射，使他想到了X射线衍
7、射术 进入到20世纪的波动光学已经发展到相当完善的地步应用惠更斯一菲涅耳原理不仅能圆满地 解释光的干涉现象，以该原理为基础，光的衍射理论也发展到相当完善的地步本世纪初，从对x射 线本性的讨论开始，许多著名物理学家卷入到对X射线的研究1912年，德国物理学家劳厄在索末菲 的研究生弗里德里奇及伦琴的研究生克尼平的协助下，在一块硫化锌晶片上，获得了X射线的衍射图 样这一著名实验得到了多重的成果，它不仅证实了x射线的波动性，也揭露了晶体的周期性规则结 构它提供了根据结构已知的晶体衍射测定波长的方法；也提供了根据波长已知的X射线，进行晶体 空间结构研究的途径劳厄的这项成果，使他获得了1914年度的诺贝尔
8、物理学奖继劳厄之后，英 国布喇格父子也开展了应用x射线衍射，研究晶体结构的系统实验研究他们在劳厄获奖的次年由此 获得了诺贝尔物理学奖小布喇格获奖的当时，年仅25岁，成为最年轻的获奖者使伽柏受到启发 的，不仅是布喇格的x射线显微镜，更重要的是他们的二次成像重现技术与一般透镜成像不同，应 用X射线照射晶体，直接得到的仅是有规则的斑点群，即衍射图样只有用相干光对衍射图样进行第 二次衍射，才可能复现晶格的像伽柏还同时注意到了布喇格这一方法的不足之处，他们没能记录 傅立叶变换的全部信息由于相位在拍摄过程中被丢失，布喇格的方法只适用于入射线与衍射线间 相位改变量已知的特殊物体为了记录相位，伽柏想到了荷兰物
9、理学家泽尼克在1934年发明的相衬 显微镜相衬显微镜原是适应生物学及医学的需要研制成功的这种显微镜可以把衍射光的相位与 直接光相比较，使被观察的不同细胞带上不同的颜色，这样既清晰可见，又无需染色，因而不致于 把细胞破坏伽柏从中抓住了最宝贵的一点：利用背景记录相位的方法泽尼克所采用的“相干背 景”使伽柏想到，若用直接而来的相干背景波作为参考波，与来自观察物的衍射波相互干涉，在照 相底片上所记录的干涉图样，将不仅包含了信息的振幅(强度)，也将会把相位记录在内伽柏把这 种干涉图样称作“全息图”，在全息图上，两束光的同相位处，光强极大；相反处，光强极小当 拍摄的全息图是正片时，再用参考光照射，透光强处
10、相位将与物波相同；弱处则相反；于是物波的 波前即可重现就这样，伽柏利用了重建波前的方法，为他所研究的电子显微镜提出了二次成像的 方案这个方案的第一步是用电子束照射观察物，使被物衍射的电子束与相干背景，即入射光束中 未被衍射部分的电子束发生干涉，在底片上记录相干结果第二步则是用光学系统再现，并校正电 子光学的像差，然后再在底片上得到再现的像伽柏与他的助手一起，于1918年首次获得了全息图 及其再现像这个图象就是Huyges(惠更斯)、Young(杨)和Fresnel(菲涅耳)三位波动光学大师的名字 尽管所拍摄的物受到同轴的限制，存在不可避免的孪生像的干扰，但是这一实验首次实现了全息记 录和重建波
11、前，自此开创了全息术为此，伽柏获得了1971年的诺贝尔物理学奖 受到全息术神奇效果与应用前景的魅力所吸引，许多研究者纷纷投入全息术的研究中50年代 初，G L罗杰斯等人扩充了波阵面再现的理论，并提出用无线电波全息术检测电离层的设想1952年， 贝兹又提出了X射线全息术设想与此同时，艾尔萨姆和吉尔巴奇克又进一步阐明了X射线全息术的 若干理论问题，他们的论文己成为当时研究伽柏全息术的重要文献 ( (2)2)从低谷中崛起的全息光学从低谷中崛起的全息光学 在50年代，由于不能找到理想的相干光源，研究工作受到同轴全息孪生像的干扰为了减小这 种影响，记录面必须放在样品的远场区；高压汞灯的强度、单色性及相干
12、性又受到了极大的限制因 此全息术的研究工作在相当长的一段时间内成效甚微 60年代，激光的出现使全息术的研究走出了低谷19611962年，正在美国密执安大学任教的 利思与尤帕尼克斯对伽柏的同轴全息术作了改进他们引入了倾斜参考光束，解决了孪生像问题， 并用氦氖激光器成功地拍摄到第一张实用的激光全息图利思等人的成果发表后，引起了巨大的轰 动利思等人坚持波前重建理论的研究，并把全息理论与通信理论相结合，用于侧视雷达的研究 这实际上就是电磁理论的二维全息术他把这项研究中创立的倾斜参考波法成功地移植到了激光全 息，使全息术获得重大的进展为此，利思在1979年获得美国国家科学奖章 与利思同期坚持全息术研究的
13、，还有前苏联物理学家丹尼休克在全息术陷入低潮时期，他也 坚持了波前重现理论的研究在困境中，法国物理学家李普曼的彩色照相术给他启发李普曼曾在 水银面上覆一层乳胶液，从水银面反射的光与原入射光相干，在乳胶层中形成驻波，不仅能把发自 拍摄物的光强记录在乳胶中，还能显现拍摄物的颜色这一发明曾轰动一时，李普曼也因此项发明 而获得1908年诺贝尔物理学奖丹尼休克从中得到启发，提出“体积反射再现波前原理：后人称 为丹尼休克原理这一原理被用到了伽柏的全息术。使物波与参考波从乳胶的两面反射而产生驻波， 形成李普曼层当用白光照射时，这些层即能反射原来的颜色，物体的像也在原来的位置复现出来 丹尼休克的这一成果为激光
14、出现后的白光反射再现全息术打下了基础，为此，他获得了1970年列宁 奖金 从60年代中期开始，激光全息术进入理论与实用两个方向发展的时期在这一时期，全息术不 仅成为近代科学研究、工业生产及经济建设中一种有效的测试手段，它还促进了一门新的光学学科一 全息光学的兴起这一时期，出现了各色各样的全息图，从同轴型到离轴型，从振幅型到位相型， 从菲涅耳型到夫琅和费型，从图像型到计算型。从激光再现到白光再现型它们不仅深化了各个方向 上的实用进展，而且又扩展了全息干涉测量术、全息光学元件与全息信息存贮三个方面的应用前景 现今。激光全息技术又在全息立体显示、全息变换与全息特征识别等方面有了较大的发展 数字光学及
15、数字全息图数字光学及数字全息图 然而，传统的光学信息处理需要笨重的全息防震台。光路需要进行反复调校，而且记录介质一般 使用全息干板、胶片，曝光后需要显影定影处理这样的过程不仅繁琐而且不利于实时处理，作为一 个传统光学的数字化的产物一数字全息技术解决了这些问题 数字全息技术就是依靠电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)代替全息干板记录干涉图 样，在监视器屏幕实时显示图像变化上，用数字化的形式记录全息图的方法；有的研究者也用计算 机直接制作全息图，用数字化的计算方法制作全息图称为数字全息图或者计算全息图数字全息计 算主要应用在空间滤波、全息及莫尔计量、光学图像处理以及激
16、光扫描等方面，是一门正在发展中的 新兴学科 第一张模压数字全息图出现在1988年7月“计算机图像和应用”杂志的封面上，它由ABNH公司在 “The Tin Toy(一部由PIXAR公司用计算机作图方法制作的影片)的基础上，首先实现的计算机合 成全息图1992年，美国加州美术工作者Paul和计算机专家Mike通过潜心研究发明了称为 “Holusion3D Print的计算机3D立体图，是一种基于视差原理的新的3D视觉信息处理，储存和 传输手段 数字全息图一般又称计算全息图，有时称数字全息图更为确切，因为这种全息图不仅是由计算 机计算合成的，而且一般常见的为二元全息图，即图像的光强(或者相位)透过率只取0和1两个数值， 虽然与过度曝光非线性记录的全息照相非常相似，却又有着本征的区别一全息图为数字化形式 数字全息术也可以无需
