全息加密技術(shù)作為一種特殊的加密方法被廣泛應(yīng)用于信息加密和防偽等領(lǐng)域。在全息加密過(guò)程中，光波的波長(zhǎng)、記錄距離和入射角度等參數(shù)用做加密密鑰和解密密鑰被人們深入研究，但所加密的信息幾乎都是二維信息。為此利用一種基于虛擬光學(xué)的對(duì)三維信息進(jìn)行加密的方法，將三維物體的大小作為一個(gè)新的密鑰被引入安全全息加密算法，其安全性能得到了極大提高。

一、全息加密原理

Fresnel離軸全息最早是Schnars和Juptner提出來(lái)的，它的記錄和再現(xiàn)過(guò)程如圖1所示。全息圖的記錄過(guò)程就相當(dāng)于全息加密的過(guò)程；全息再現(xiàn)過(guò)程就對(duì)應(yīng)于解密過(guò)程。

在全息加密過(guò)程中，用黃氏編碼法生成Fresnel計(jì)算全息圖；在解密，即計(jì)算全息再現(xiàn)過(guò)程中，使用空間濾波的方法消除零級(jí)像和孿生的一級(jí)衍射像，這樣處理還可以增加圖像的分辨率和亮度。

用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算全息圖的再現(xiàn)像過(guò)程，根據(jù)全息原理可知，在觀察距離等于記錄距離(解密密鑰等于加密密鑰)的觀察屏上可以看到二維切片清晰的再現(xiàn)像。理論上通過(guò)一系列的二維切片的再現(xiàn)，就可以得到我們加密的三維物體的再現(xiàn)像。

二、圖像質(zhì)量的客觀評(píng)價(jià)方法

PSNR法在圖像的壓縮技術(shù)中用來(lái)評(píng)價(jià)解壓后圖像的質(zhì)量，這里我們用它來(lái)評(píng)價(jià)再現(xiàn)像的質(zhì)量。其表達(dá)式為：

其中，MSE為：

式中f(x，y)表示理想的圖像；g(x，y)表示在觀察屏上得到的實(shí)際圖像。用PSNR法評(píng)價(jià)圖像時(shí)，其PSNR值越大，說(shuō)明觀察屏上的圖像越好。

前面已經(jīng)提到，為了綜合三維物體的計(jì)算全息圖(即全息加密)，我們將空間物體分割成了一系列等間隔的二維切片。為了評(píng)價(jià)解密的三維物體質(zhì)量，要對(duì)公式(1)進(jìn)行適當(dāng)修改：

其中，i是二維切片的序數(shù)；PSNRtotal是三維圖像的最終PSNR值。值得注意的是，每一個(gè)二維切片解密時(shí)都對(duì)應(yīng)一個(gè)不同的解密密鑰(記錄距離)，所以PSNRi就是對(duì)應(yīng)不同記錄距離的二維切片的PSNR值。

三、計(jì)算機(jī)模擬及討論

在虛擬光學(xué)的計(jì)算機(jī)模擬過(guò)程中，我們將一個(gè)空間立方體作為全息加密的原始物體，并將它分割成等間隔的8個(gè)二維切片。相對(duì)于單幅二維圖像的加密解密而言，三維物體的記錄距離(第一個(gè)切片到全息面的距離)和立方體的大小(第一個(gè)切片到第八個(gè)切片間的距離)這兩個(gè)參數(shù)都可以被用做加密和解密密鑰，后者更具安全性。8個(gè)不同記錄距離的切片綜合成一張計(jì)算全息圖。再現(xiàn)時(shí)，在觀察屏上可以看到空間立方體的像，該像所包含的8個(gè)不同切片有其各自的再現(xiàn)距離。

1、單個(gè)二維切片的加密和解密

首先，空間立方體的某一個(gè)二維切片可以看作是被全息加密的圖像，以記錄距離、參考光波波長(zhǎng)和參考光波與全息圖的夾角作為加密密鑰，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，生成計(jì)算全息圖(加密過(guò)程)。圖2(a)中，二維切片的大小為8cm X8cm (256><256像素)，記錄距離為0.4m，參考光波與全息圖的夾角a) G9G=1。：圖2(b)—(f)是保持加密密鑰中的參考光波波長(zhǎng)和參考光波與全息圖夾角不變，改變密鑰中的再現(xiàn)距離所觀察到的再現(xiàn)像。再現(xiàn)距離d從0.35m變化到0.46m。

在這里我們用PSNR來(lái)客觀評(píng)價(jià)解密圖像的質(zhì)量。不同的解密密鑰對(duì)應(yīng)不同的再現(xiàn)像，不同的再現(xiàn)像質(zhì)量有不同的PSNR值。圖3是解密密鑰與圖像質(zhì)量( PSNR)關(guān)系圖。圖中波峰A點(diǎn)的解密密鑰(再現(xiàn)距離)等于加密密鑰(記錄距離)，所以再現(xiàn)圖像質(zhì)量最好，相應(yīng)的PSNR值最大；當(dāng)解密密鑰在加密密鑰的一定范圍內(nèi)變化(如在B點(diǎn)和C點(diǎn)間變動(dòng))，圖像質(zhì)量將會(huì)下降，但仍可被觀察者所接受。

2、整個(gè)三維物體的加密與解密

對(duì)于空間立方體的加密過(guò)程，需要用到所有的8個(gè)二維切片。第一步，計(jì)算單個(gè)切片在全息平面上的光場(chǎng)分布；第二步，將上一步中所得的8個(gè)光波場(chǎng)進(jìn)行迭加，求其總的光場(chǎng)分布；第三步，用黃氏編碼法對(duì)總光波場(chǎng)進(jìn)行編碼，進(jìn)而生成計(jì)算全息圖。三維物體的解密圖像，我們可以用一個(gè)接收屏或者CCD去接收。接收屏或CCD上將同時(shí)接收到8個(gè)二維切片的解密圖像，但它們解密密鑰各不相同，其中再現(xiàn)距離以等步長(zhǎng)間隔依次增加。圖4就是在接收屏或CCD上觀察到的三維物體的再現(xiàn)像。

圖4(a)是8個(gè)二維切片在平面投影圖；圖4(b)一(f)接收屏或CCD到全息平面的距離改變對(duì)再現(xiàn)三維物體的影響。

在接收屏或者CCD上能夠同時(shí)觀察到每一個(gè)切片的解密圖像，但是它們相應(yīng)的解密密鑰卻并不相同，如前所述，解密密鑰為等差數(shù)列，公差就是切片間隔。用公式(3)表示的修正PSNR法對(duì)三維物體進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，要將8個(gè)等間隔的切片作為一個(gè)整體看待，保持間隔不變整體進(jìn)行前后移動(dòng)，從而得到三維像的評(píng)價(jià)結(jié)果，如圖5所示。A點(diǎn)能夠觀察到清晰的三維物體再現(xiàn)像，在BC點(diǎn)區(qū)間內(nèi)得到的再現(xiàn)像也能夠被人眼分辨。通過(guò)幾何光學(xué)計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)BC點(diǎn)間的距離大致與系統(tǒng)景深相等。至此模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與傳統(tǒng)光全息觀察結(jié)果相一致，所以可以得出結(jié)論：修正PSNR法是一種有效的評(píng)價(jià)三維物體再現(xiàn)像的客觀方法。

該方法較衍射效率，點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)和分辨率等再現(xiàn)圖像評(píng)價(jià)方法更直接更有效。修正PSNR法可以用來(lái)建立三維圖像評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，這對(duì)于三維研究有極重要的作用。

小知識(shí)之PSNR

峰值信噪比，一種評(píng)價(jià)圖像的客觀標(biāo)準(zhǔn)。是指到達(dá)噪音比率的頂點(diǎn)信號(hào)，psnr一般是用于最大值信號(hào)和背景噪音之間的一個(gè)工程項(xiàng)目。通常在經(jīng)過(guò)影像壓縮之后，通常輸出的影像都會(huì)在某種程度與原始影像不同。為了衡量經(jīng)過(guò)處理后的影像品質(zhì)，我們通常會(huì)參考PSNR值來(lái)衡量某個(gè)處理程序能否令人滿意。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的计算机二维全息图原理,三维信息加密如何使用计算全息进行的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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