圖像和視頻已經逐漸成為人們主要的信息記錄、交互方式。大量的圖像信息在各種信息設備、互聯網上存儲、傳播。同時，這些信息的安全性也日益引起人們的重視。目前，這些多媒體數據被當做文本數據進行處理，使用傳統的加密方法，不僅處理速度慢，而且存在一定的安全隱患。

光學信息處理系統具有高速、大帶寬的優點，因此被提出用來對圖像進行加密，如雙隨機相位編碼技術。然而，傳統的基于線性光學處理系統的光學圖像加密方法，雖然可以快速對大量圖像數據進行加密，但其安全性存在一定的隱患。原因在于，傳統光學加密系統明文與密文之間存在固有的線性關系，容易受到已知明文、選擇明文等密碼分析手段的攻擊。傳統光學圖像加密系統安全性差的缺點，導致其無法真正被廣泛使用。

近日，上海光機所信息光學與光電技術實驗室 司徒國海 領導的科研團隊提出一種新的光學圖像加密方法。該方法基于光折變晶體的自相位調制技術，打破了傳統光學圖像加密系統固有的線性特征，首次實現了無論是加密速度還是安全性都大幅提升的光學圖像加密。

該研究成果“Image encryption using spatial nonlinear optics”發表在卓越計劃高起點新刊eLight（論文網址：https://doi.org/10.1186/s43593-021-00010-y）。來自香港理工大學的 Wen CHEN 教授為本文撰寫了 News & Views，發表于 Light: Science & Applications（論文網址：https://doi.org/10.1038/s41377-021-00699-z）。

非線性光學圖像加密技術是一種直接對光學圖像進行加密的技術，整個加密過程都在光學系統中完成。其加密速度等同于光速，不依賴計算機的算力，可在瞬間完成。

該加密系統如圖 1（a）所示，準備加密的圖像可通過空間光調制器 A(SLM-A) 加載，經 4f 系統成像到投射到加密系統（Encryption system）輸入端，輸出端為加密后的圖像，被 4f 系統成像到 CCD 相機表面，并用干涉法記錄。

加密系統內部如圖 1（b）所示，輸入圖像經過空間光調制器 P?（SLM-P?）加載的隨機相位調制后，被 4f 系統成像到一塊光子晶體（SBN:61）表面，經過光子晶體非線性傳播后，4f 系統將其投射到加載隨機相位的空間光調制器 P?（SLM-P?）上，再次對光束進行調制，最后通過 4f 系統將光束成像到另一塊光子晶體表面，經晶體非線性傳播后完成加密輸出系統。

圖 1：非線性光學圖像加密系統

經過兩次隨機相位調制及非線性傳播后，光學圖像被加密成平穩的復隨機白噪聲。經密碼學分析證明，非線性光學加密圖像加密有很強的安全性。解密是加密的逆過程，在已知密鑰的情況下可以用光學系統進行解密，同時也可以用數字全息的方式進行解密。

圖 2 為非線性加密、解密的結果，其中圖 2（a）為原文圖像，經加密系統加密后，密文如圖2（b）所示，可以看到密文完全隨機分布，已經無法看到原文的信息。在已知密鑰的情況下，密文被解密為圖 2（c），此時原文信息已經完全恢復。

圖 2：非線性加密、解密的結果

毫無疑問，一種可靠的加密技術必須具有很高的安全性。在密碼學分析時，要遵從柯克霍夫原則：即使密碼系統的任何細節已為人所知，只要密鑰未泄露，他也應是安全的。以已知明文攻擊為例，攻擊者知道密文及其對應明文信息。并且試圖通過這些信息得到加密系統的解密密鑰，從而破解加密系統。在該條件下，密碼分析問題最終會轉化為單圖像或多圖像的相位恢復問題。

在線性光學系統下，雙隨機相位密鑰會被一些相位恢復算法所恢復，即密碼被破譯。而非線性光學系統下，因光折變晶體的折射率分布與明文及其編碼方式有關，不同的明文雖然經過同一個光學系統加密，但因非線性效應引起的折射率變化不一樣，因而無法利用線性的多圖像恢復算法獲得有效的相位密鑰，從而保證了系統的安全性。密碼學分析表明，該技術可以有效抵御多種密碼分析手段的攻擊。

該項研究解決了長期以來困擾光學圖像加密領域的安全性問題，從理論和實驗上都取得了良好效果，使真正實現光學圖像加密成為可能。

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