基于空间角度复用和双随机相位的多图像光学加密方法

提出了基于空间角度复用和双随机相位的多图像光学加密新方法.加密过程中,首先将原始图像进行随机相位调制和不同距离的菲涅耳衍射;其次,将携带调制后图像的参考光与携带随机相位且具有不同立体角的参考光相干叠加,产生干涉条纹;最后,将不同方向的干涉条纹叠加形成复合加密图像.解密为加密的逆过程,将复合加密图像置于空间滤波和菲涅耳衍射系统中,经过不同相位密钥解调和正确距离的菲涅耳衍射完成解密,得到多幅解密图像.该方法可以同时对多幅图像进行高效的加密,计算简单、安全可靠、抗噪声能力强.利用相关系数评估了该方法的加密效果,并通过仿真实验验证了该方法的有效性和安全性.     

结合计算全息与混沌的彩色图像加密方法

针对现有彩色图像光学加密方法存在解密结果失真的问题,提出一种结合混沌运算与菲涅耳衍射全息的彩色图像单通道加密新方法.首次加密操作利用菲涅耳衍射将彩色图像RGB通道分量转换成一幅实值计算全息图;第二次加密操作是利用改造的Logistic混沌系统对计算全息图像素进行置换与扩散.结果 表明,本文方法除传统混沌系统密钥以外,菲涅耳衍射距离、参考光波长和入射角方向余弦作为关键密钥均可以增大密钥空间(约为10249),而且具有较小的密钥体积;解密图像的保真度高且相邻像素相关性、信息熵、像素数改变率和归一化改变强度等评价指标均接近理想值;密文图像的直方图平坦,灰度分布均匀,完全隐藏了原始彩色图像的灰度和色彩信息.     

可编程菲涅耳相位透镜应用于多平面全息投影

研究了基于菲涅耳相位透镜实现多平面全息投影的方法,采用硅基液晶相位调制器建立了多平面全息投影系统.首先,利用可编程菲涅耳相位透镜代替傅里叶透镜,将计算机生成的相位全息图与菲涅耳透镜的相位结合;其次,基于时分复用和空分复用原理提出了加载菲涅耳相位透镜与相位全息图到相位空间光调制器上的两种方法;最后,讨论了在多平面全息投影中每个单一平面实现旋转物体动态360°视角显示的方法.实验结果表明:在距离硅基液晶分别为500、800、1 100和1 400mm处的四个重构平面可以获得全息投影图像;通过动态地改变菲涅耳相位透镜的焦距,可以实现多平面全息投影.     

基于两步正交相移干涉的振幅图像光学加密技术

提出一种基于两步正交相移干涉的光学图像加密技术.这种相移干涉数字全息只要记录两幅干涉图,不需要记录物光波和参考光波的强度信息,就可以再现没有零级像和共轭像的再现像.物光波对应的光路经过两次菲涅尔变换,并结合双随机相位编码.参考光分别引入0和π/2相位,用数字化记录介质记录两幅数字全息图作为加密图像.解密时只要获得正确的密钥,经过简单的计算就可以重建清晰的原始图像.模拟实验验证了它的可行性和有效性,分析了抗裁剪和噪音的鲁棒性.     

基于压缩全息和空分复用的多彩色图像加密

针对现有光学加密方法进行彩色图像加密时加密容量低、解密图像失真度高等问题,提出一种基于压缩全息和空分复用的多彩色图像加密方法.在光学加密阶段,结合改进的Mach-Zehnder干涉仪与空分复用技术,通过不同的随机相位掩膜对多幅彩色图像进行同时加密,仅需单次曝光即可得到由多幅彩色图像加密的全息图.在解密过程中,由于记录全息图的过程可建模为压缩感知过程,使用两步迭代收缩/阈值算法即可求解.实验结果表明,提出的加密系统加密容量大,解密重建图像质量高,结合压缩感知理论,有效地消除了同轴全息中平方场项对解密重建性能的影响,解密图像平均峰值信噪比仅下降约2～5dB;密钥安全性高,随机相位掩膜与传播距离均起到密钥的作用,在随机相位掩膜错误或传播距离仅偏移0.25%时,便无法解密出原始彩色图像;且对噪声与遮挡性攻击具有良好的鲁棒性,解密重建性能随噪声增大下降趋势缓慢,加密全息图80%信息受到遮挡性攻击时,仍可取得良好的解密重建结果.     

用多重菲涅耳衍射变换和相位密码板实现图像加密的技术

基于多重菲涅耳衍射变换和相位密码板,设计了一种新的图像加密计算方法.待加密的明文图像在多重离散菲涅耳衍射变换和相位密码板的共同作用下,变换为一个具有随机码特征的密文矩阵;衍射距离和相位密码板是主要的密钥.只有当所有密钥都正确时,才能成功地解密密文.结果表明,该加密算法能抵抗JPEG有损压缩、图像剪切、重度噪音污染和重采样等攻击,因此该法具有较强的鲁棒性;由于很难破解多重密钥,所以该算法具有极高的安全性.     

彩色全息图的计算机产生和数字再现

提出了一种基于色彩合成以及菲涅尔衍射原理,用计算机产生全息图并用数字方法再现彩色全息图的方法。该方法的第一步是将物体的彩色RGB图像分离为三基色强度图,再利用博奇编码的方法制成修正离轴参考光分色计算机全息图;第二步是分别对分色全息图在频域进行调制以实现用原参考光真实再现原始物光波。通过滤波消除零级衍射及共轭像的影响,获得了所需要的实像并提高了像质。提供的实验是选用一幅RGB图像作为原始物体,给出了用博奇编码法制成的全息图以及最后经色彩合成获得的再现像。结果表明,该方法能使各分色全息图的再现像准确重合,解决了在色彩合成时容易出现的色串扰问题。     

纯相位菲涅尔全息图的反馈迭代算法及其硅基液晶显示

研究了纯相位菲涅尔计算全息图的制作方法,给出了一种生成纯相位菲涅尔计算全息图的算法.首先研究了菲涅尔衍射的数值模拟算法,分析了两种数值模拟算法的计算速度.将计算速度较快的菲涅尔衍射数值模拟算法和迭代算法相结合,并引入比例反馈,得到纯相位菲涅尔计算全息图的反馈迭代算法.其次,对比例反馈系数的选取进行了实验研究,得到其最优经验值范围,然后进行了仿真实验.仿真结果表明,该算法降低了重构误差,提高了全息图重构质量.最后基于新型空间光调制器反射型硅基液晶,建立了全息显示光电实验系统,对该算法进行了验证.     

基于菲涅耳全息图和离散余弦变换的“盲数字水印”技术

基于光学菲涅耳全息图和相位密码板,结合离散余弦变换,设计了一种新的正实值编码的“盲数字水印”计算方法.相位密码板是多个点光源的菲涅耳衍射光场的相角之和,原始水印图像在其菲涅耳衍射域中与通过相位密码板的参考光作相干叠加,形成菲涅耳全息图;之后将其嵌入到原始宿主图像的离散余弦变换中,同时将此叠加水印信息的原像素值用其邻近的原像素均值来替换;通过作逆离散余弦变换,获得了已嵌入水印信息的正实数值的目标图像;通过对载有水印信息的目标图像作逆运算,从中提取了原始水印图像.数值计算结果表明：该水印计算法对JPEG有损压缩、剪切、噪音污染和重采样等攻击,具有很强的鲁棒性.由于本算法属“盲数字水印”技术,以及水印信息的灵活嵌入和多重密钥（衍射距离、多个点光源位置等）的随意选择,从而使该算法具有很高的安全性和实用价值.     

基于深度学习的离轴菲涅耳数字全息非线性重构

针对离轴菲涅耳数字全息图,提出基于深度学习的单幅数字全息非线性重构方法 .采用经典的菲涅耳衍射积分模拟数字全息成像以供给网络训练所需样本,利用深度卷积残差神经网络通过学习数字全息图与相关物像之间的非线性数学映射关系实现全息图的物像重构.数值模拟表明,与传统的频率滤波和四步相移技术实现菲涅耳数字全息重构相比,本文提出的方法可直接消除零级像及孪生像,无需条纹物项抽取预处理步骤,且重构的物像具有较高的质量,针对相同记录参考光下不同衍射距离所生成的测试集亦具有较强的稳健性.     

基于矢量运算和副像相位掩模的遥感图像加密技术

针对遥感图像及彩色图像传输过程中的信息安全问题,提出了一种利用矢量运算和副像相位掩模对彩色遥感图像加密的方法.在加密过程中,利用光学相干叠加原理将原始图像矢量分解,并叠加到R、G、B三个通道上的两个相位板当中;然后,使用副像相位掩模在菲涅尔域中双随机相位编码对其中一个相位板加密;最后,利用两个随机矩阵的Kronecker积对编码图像进行进一步随机化处理,实现彩色遥感图像的多级加密.实验结果表明:该算法的密钥敏感度高,在强度系数小于0.04的高斯噪声攻击和统计分析攻击下具有良好的稳健性;密文能够抵御选择明文攻击,相比于传统的双随机相位编码算法具有更强的安全性.解密遥感图像的峰值信噪比和相关系数可达31.92dB和0.9888.该加密方法为大量相同尺寸遥感图像的加密提供了新的思路.     

基于相移干涉术的光学信息隐藏系统的软件实现

结合双随机相位编码技术与相移干涉术，提出了一种信息隐藏系统，待隐藏信息被加密到多幅干涉图数据中后。通过选取合适的权重因子，它们可以被嵌入到宿主图像中；利用特定的相移再现公式和逆菲涅耳衍射变换，可以实现隐藏信息的提取及解密．通过基于Matcom的VisualC＋＋与Matlab混合编程，设计和开发了一款信息隐藏系统软件，经过界面测试，该软件可以实现图像读取及显示、基本几何参数输入、信息加密及嵌入、信息提取及解密、鲁棒性测试等主要功能．     

角谱法数值再现离轴菲涅耳数字全息成像的物理机制探讨

本文以离轴菲涅耳数字全息实验为基础,探讨了基于角谱衍射传播方法进行数字全息图重建的成像性能,重点挖掘数值计算背后的物理机理,帮助学生更好地理解所涉及的信息光学知识点。首先,介绍了离轴菲涅耳数字全息图常用两种再现方法的原理,分别是频域滤波方法和空域直接回传方法;然后,利用模拟实验分析了这两种方法在实现成像分辨率和视场方面的特征,把全息理论与仿真现象充分地联系起来,揭示隐藏在数值计算之后的光学原理。本文通过对数字全息图前向和后向传播获取再现像的对比分析,加深对傅里叶变换、衍射传播、频谱滤波等基本物理概念的理解和掌握。     

基于液晶空间光调制器的全息显示

在传统的纯相位全息显示系统中, 一般基于快速傅里叶变换(FFT)算法来计算相位全息图, 在FFT的计算中需要遵循Nyquist采样定理, 因此, 重建图像的尺寸往往受限于空间光调制器的固定采样率. 这个限制可以通过卷积算法或者两步菲涅耳衍射算法来解决, 但是需要使用多个FFT的计算, 导致计算量增大. 鉴于此, 提出了一种基于透镜的纯相位全息图计算方法. 在全息图的计算中, 通过透镜的成像原理建立一个采样率可变的虚拟全息面, 通过调节相应的距离参数使得在全息图的计算中可以任意调节原始图像的采样率, 摆脱了传统方法中液晶空间光调制器带宽积对重建图像尺寸的限制, 并且这种算法只需使用一次FFT就能达到变采样率的衍射计算, 大幅提高了全息图的计算速度. 数值模拟及光学实验结果证明了此方法可以在全息显示光学系统中清晰地重建不同尺寸的图像. 同时该系统可以有效地消除由空间光调制器的像素化结构带来的零级衍射.     

计算机制相位彩虹全息近眼显示

基于现有的相位空间光调制器,提出并实现了计算机制相位彩虹全息近眼显示.指出带限条件下物光在全息面上相位分布的计算及高频闪耀光栅纵向色散的控制是实现相位彩虹全息的关键要素.在计算相位彩虹全息图时,首先利用带限条件下的角谱衍射算法获取全息面上物光的复振幅分布,并利用双向误差扩散算法将复振幅分布编码为相位分布.然后,对参考光对应的高频闪耀光栅的相位进行编码,得到计算机制相位彩虹全息图.最后,设计了包含白色点光源、准直透镜、空间光调制器、4f滤波系统及目镜的全息彩色近眼显示系统,并通过光学再现获得了相位彩虹全息近眼显示效果,证明了所提方法的有效性.     

一种解密图像无背景噪声的加密全息数字水印技术

提出了一种新的加密计算全息技术,原始水印图像经过双随机相位编码,所得复数图像经过共轭对称延拓和傅里叶变换后得到全息图,所得全息图解密图像上没有视觉可见噪声污染。将快速识别矩阵(QR)码作为原始水印图像,进行加密得到全息图水印,并嵌入在原始图像的Haar小波对角线中频系数中,在较高的水印信息不可见性的情况下,含水印图像经过打印过程获得的印刷品再扫描后,提取出的全息图水印经解密后依然能够得到可解码的QR码,QR码的使用使得算法可以准确定位版权人。所提的数字水印技术有很好的实用价值。     

利用反射全息实现计算全息三维显示

计算全息和光学全息都可应用于三维显示,但各有自己的优势和缺陷.将计算全息和光学反射全息相结合,可以突破光学全息对记录物体的限制,进行虚拟物体或自然场景的全息图的制作,同时可以实现白光再现.本文首先用三维扫描仪获得实际物体的三维数据,用"点云算法"模拟得到其菲涅耳全息图透射率数据,采用计算全息打印机将其输出于全息记录介质,得到可光学再现的菲涅耳计算全息图H1.然后将H1作为光学全息的记录物体进行反射全息记录,将平面全息转化为体全息,实现了计算全息白光再现.     

三维物体多重菲涅耳计算全息水印与无干扰可控重建方法

提出了一种基于三维物体的多重菲涅耳计算全息水印方法.将水印信号作为虚拟三维物体的层面,首先结合分区复用层析法和菲涅耳双随机相位编码方法产生复噪声形式的水印信号;然后对水印信号的频谱作共轭对称处理实现实值编码;为减小对宿主全息图数字重建的影响,将水印信号的频谱设置于对宿主数字重建影响小的频谱非感兴趣区域;编码后的信号以一定强度叠加于宿主全息图,水印信号恢复无需原始宿主全息图信息,可实现盲提取,对宿主全息图重建像面的二维码可扫描识别.仿真测试结果表明,所提出的方法具有较好的透明性和稳健性,在宿主全息图遭受滤波、JPEG(联合图像专家小组)压缩、高斯噪声、剪切、旋转等各种攻击的情况下,不论对宿主还是水印信号仍具有良好的数字重建质量,对重建像面的二维码仍可扫描识别;而重建像面水印信号的无干扰可控重建后处理操作解决了不同层面水印信号之间的衍射干扰问题,提高了水印信号的重建质量.虚拟光学手段的应用丰富了水印信号设计方法并提升了算法的安全性.     

全息显示技术讲座 第二讲——透射全息

<正> 1.菲涅耳型透射全息的一般问题透射全息在记录时,物光和参考光来自记录介质的一侧投射在记录介质上。拍照菲涅耳型全息图时,记录介质位在物光波的菲涅耳衍射区。参考光可以用平面光波、发散或会聚的球面光波。为讨论问题简单,用点物作代表推导全息图的空间频率、物象关系、放大率等。我们将点物的全息图称为基元全息图。图2.1是记录光路。物光和参考光的位相函数为     

基于双随机相位编码的彩色图像加密技术

为了实现仅用两个密钥对彩色图像进行加密,提出了一种基于光栅调制的彩色图像加密方法.该方法首先把彩色图像分成三基色分量:红,绿,兰.然后,把这三帧灰度图像分别用空间频率不同正弦振幅光栅调制,之后,再把调制结果进行叠加而形成一个实值目标图像,该目标图像包含了原始彩色图像的全部信息.对此目标图像进行双随机相位加密系统的加密,即实现了彩色图像的加密隐藏.由于正弦光栅的调制作用,R、G、B灰度图像的频谱在实值目标图像的频谱中分离开来,通过选取合适的滤波窗口,就可以对他们的频谱分别提取并予以重建,并最终实现重构原始彩色图像.本文给出了理论分析和计算机模拟,实验结果证实了该方法的可行性.