新型光学密码分析方法的理论与实验研究

Optical information security is a new intersectional subject between modern optics and information safety technique, in which the security analysis and assessment of optical encryption system has just emerged and drawn a lot of attentions. However, most of the relevant reports are focusing on the theoretical aspect, and it comes to be an emergent problem to assess the security of optical cryptosystem from the view of optical imaging itself.. On the basis of optical cryptography, this grant will intend, to be the first time, to deeply explore the physical encryption mechanism of optical cryptosystem based on random phase encoding from the view of optical imaging. Meanwhile, this grant will investigate the novel optical cryptanalysis method theoretically and experimentally by combining the technology of computational imaging through scattering media, such as wavefront phase modulation, memory effect and optical invisibility cloak. These optical cryptanalysis methods will be proposed can carry out the security analysis of some typical optical cryptosystems to provide theoretical basis and technical support for designing the novel optical cryptosystem with higher security levels. This grant will be of great significance from both the completeness of optical cryptography theory and the perspective view of practical application.

光学信息安全是近代光学与信息安全技术相结合的一门新兴交叉学科，其中，对光学密码系统的安全性分析与评估是近几年出现并兴起的一个研究热点，已有的光学密码分析方法仍停留在理论研究方面，能否从光学成像的角度评估光学密码系统的安全性成为学者们亟需思考的问题。. 在光学密码学理论工作的基础上，本项目拟首次尝试从光学成像的角度，深度探索随机相位编码光学密码系统的物理加密机制。同时结合波前相位调制、“记忆效应”、光学“隐形斗篷”等透过散射介质的计算成像技术，旨在从理论和实验上研究新型的光学密码分析方法。对随机相位编码光学密码系统进行详细的安全性分析与评估，以检验光学密码系统的安全性，为发展新型的、更高安全强度的光学密码技术提供理论依据和技术支持。本项目的研究对光学密码学的理论完备性和实际应用前景具有重要意义。

随着信息技术的高速发展，信息与数据的安全问题日益严峻。基于光学理论和方法的光学密码学具有并行数据处理、多维密钥空间等优势，吸引了越来越多的学者投身其中。对一些典型的光学密码系统进行安全性分析，不仅可以有效避免由于安全漏洞带来的损失，同时也可以促进光学密码编码技术的发展。本项目按照项目计划书对结合新型计算成像的光学密码分析方法开展了研究。（1）深入开展了反馈式波前调制光学密码分析学的理论和实验研究，重点研究了光路结构的和反馈式优化算法对恢复等效相位密钥的影响，从理论和实验上实现对光学密码系统的选择明文攻击，并建立完备的波前整形光学密码分析方法的理论模型和相应的实验装置。（2）研究了基于散斑相关理论的光学密码分析方法，重点讨论了光学密码系统密文自相关与明文自相关之间的关系，结合相应的迭代相位恢复算法，从理论和实验上实现了对相干和非相干光学密码系统的唯密文攻击。（3）研究了基于深度学习的光学密码分析方法，通过利用数据驱动获得光学密码系统的网络参数化等效密钥，证明了该方法对于随机相位编码系统与计算鬼成像加密系统选择明文攻击的有效性。进一步研究了模型与数据联合驱动的光学密码分析方法，提出了一种基于非训练深度神经网络的光学密码攻击方案。（4）开展了高安全强度的光学密码编码方法研究，包括基于压缩单像素成像的光学图像加密方案和光学隐写术、基于指纹和指静脉的光学身份认证方案、基于迭代相位恢复的光学秘密分享方案。本项目基本按照申请书的思路执行，取得了一定的研究成果。所完成的几种新型光学密码分析方法为光学密码系统安全性分析提供了一些新的思路，希望能给同行们提供一些可供借鉴的经验，对本领域的进一步发展起到了一定的推动作用。