基于液晶光閥的視頻光學(xué)加解密技術(shù)研究

王洪偉

（中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)工程大學(xué)，陜西 西安710086）

引言

隨著電視行業(yè)中720p、1 080i、1 080p以及4K等高清視頻的陸續(xù)出現(xiàn)，監(jiān)控視頻行業(yè)也從最初的小分辨率逐漸走到了960H甚至1 920H的高清監(jiān)控時(shí)代。隨著視頻監(jiān)控需求越來越多、視頻監(jiān)控系統(tǒng)覆蓋范圍越來越廣，人們對(duì)監(jiān)控圖像細(xì)節(jié)辨識(shí)度的要求也越來越高［1］。但是對(duì)于某些在監(jiān)控視頻傳輸過程中有加密需求的領(lǐng)域，監(jiān)控視頻的高清化卻成了加密算法的嚴(yán)重負(fù)擔(dān)，單幀圖像數(shù)據(jù)量的增大對(duì)現(xiàn)行加解密算法也提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。視頻圖像的增大將會(huì)嚴(yán)重增加加密算法的開支以及加解密的運(yùn)算時(shí)間。因此快速有效地對(duì)高清視頻進(jìn)行加解密成為一個(gè)研究難題。因此，本文創(chuàng)新性地將光學(xué)加解密應(yīng)用到了高清視頻監(jiān)控領(lǐng)域。由于光學(xué)加解密的速度與光速相等，所以能將加解密時(shí)間基本降為零，極大地提升了視頻的傳輸性能。

目前，還未見有針對(duì)于視頻圖像進(jìn)行光學(xué)加解密的相關(guān)報(bào)道出現(xiàn)。只有高麗娟等人在文獻(xiàn)［2］中利用三色光柵對(duì)彩色圖像實(shí)施了光學(xué)加密，但未涉及視頻加密領(lǐng)域。本文摒棄了三色光柵的分空間彩色成像的加密方式，而改用了液晶光閥進(jìn)行分時(shí)成像。這樣就避免了三色光柵分空間成像對(duì)成像CCD陣列大小的壓力。由于本設(shè)計(jì)利用光學(xué)調(diào)制變換來進(jìn)行加解密，并且只在視頻傳輸?shù)淖钋岸撕妥钅┒诉M(jìn)行改造，因此本設(shè)計(jì)具有不受圖像分辨率增加影響、加解密速度快、破解困難、易于實(shí)現(xiàn)、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

1 視頻光學(xué)加解密系統(tǒng)

視頻光學(xué)加解密系統(tǒng)主要由光學(xué)鏡頭、液晶光閥、基于雙隨機(jī)相位編碼的加密鏡頭組、CCD成像芯片及相關(guān)驅(qū)動(dòng)電路、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、存儲(chǔ)服務(wù)器等組成，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。光線先進(jìn)入光學(xué)鏡頭聚焦成像，再經(jīng)液晶光閥按照紅、綠、藍(lán)的順序?qū)⒐饩€分時(shí)通過，然后分時(shí)通過的單色光穿過圖像光學(xué)加密鏡組，最后在CCD感光芯片上進(jìn)行成像。成像為接近白噪聲的加密后的圖像。加密后的圖像可以直接進(jìn)入存儲(chǔ)服務(wù)器，進(jìn)行加密存儲(chǔ)；或者通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)直接接入網(wǎng)絡(luò)。

由于光具有可逆性，光學(xué)解密過程基本上相當(dāng)于光學(xué)加密的逆過程。將加密系統(tǒng)直接傳來的圖像數(shù)據(jù)或者通過網(wǎng)絡(luò)傳過來的圖像數(shù)據(jù)先進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)入倒置后的光學(xué)加密鏡組，最后再次成像恢復(fù)成加密前的圖像。解密后的圖像可以進(jìn)入服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)或者經(jīng)過其他顯示設(shè)備進(jìn)行顯示。

本系統(tǒng)的監(jiān)控圖像在光學(xué)加密鏡組中進(jìn)行了一次光學(xué)傅里葉變換和一次傅里葉反變換，同時(shí)輔以2個(gè)隨機(jī)相位板［3］的光學(xué)置亂進(jìn)行光學(xué)加密。加密后的圖像接近均勻白噪聲，在不知相位板排列的情況下幾乎不可能恢復(fù)出來原圖像。

圖1 監(jiān)控視頻光學(xué)加解密系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram of video optical encryption

2 液晶光閥工作原理

液晶光閥是一種利用電壓控制液晶晶體分子軸取向來控制折射率發(fā)生變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同波段的光線選擇性輸出的濾波裝置［4－5］。液晶光閥主要由液晶層、電極、液晶分子取向模等關(guān)鍵部分組成，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。一般情況下光軸與分子長(zhǎng)軸方向一致，若在透明電極兩端加上一定的電壓，液晶分子的排列方向就會(huì)在電場(chǎng)的作用下發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)控制的雙折射效應(yīng)的變化，進(jìn)而導(dǎo)致沿光傳播方向的折射系數(shù)no與ne發(fā)生變化［6－7］。

當(dāng)一束光通過液晶光閥中的液晶層時(shí)，對(duì)于波長(zhǎng)為λ的光線經(jīng)偏振光檢偏后會(huì)發(fā)生干涉，其透過率為：

式中：d為液晶層的厚度；Δn0是液晶層在溫度為T、波長(zhǎng)為λi、電壓V＝0時(shí)的雙折射率；f（V）是液晶雙折射率隨變壓變化的函數(shù)。

圖2 液晶光閥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the liquid crystal light valve

本系統(tǒng)就是在控制液晶光閥電壓的同時(shí)配合CCD曝光順序，從而將一幅彩色圖像按照紅、綠、藍(lán)的順序分時(shí)通過，最后在灰度CCD上成3幅具有RGB（Red，Green，Blue）屬性的灰度圖像。這樣的話就能將3組光學(xué)加密鏡組的彩色圖像加密簡(jiǎn)化為1組光學(xué)加密鏡組，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了加密效率。

3 彩色視頻圖像單通道加解密

彩色視頻圖像單通道加解密技術(shù)，除了加解密不消耗時(shí)間的優(yōu)勢(shì)之外，還具有不改變?cè)曨l加解碼、不改變?cè)幸曨l傳輸鏈路的優(yōu)勢(shì)。本技術(shù)只需要在現(xiàn)行視頻傳輸鏈路的前端與末端進(jìn)行改造即可實(shí)現(xiàn)。

彩色視頻圖像單通道加解密是將通過液晶光閥后的灰度圖像作為加密輸入，采用基于4－f系統(tǒng)的雙隨機(jī)相位編碼進(jìn)行視頻光學(xué)加解密［8－9］。其系統(tǒng)如圖3所示。加密時(shí)，首先利用一個(gè)隨機(jī)相位板e(cuò)xp（i2πm（x，y））對(duì)輸入信號(hào)f（x，y）進(jìn)行一次置亂，然后將置亂后的圖像f′（x，y）再經(jīng)傅里葉鏡組FT1進(jìn)行一次傅里葉變換［10］得到頻譜圖像g（u，v），然后再利用第2塊隨機(jī)相位板e(cuò)xp（i2πn（x，y））進(jìn)行二次頻譜置亂得到圖像g′（u，v），最后再經(jīng)過傅里葉逆變換鏡組FT2進(jìn)行一次傅里葉逆變換得到接近于白噪聲的圖像I（x，y）。

圖3 雙隨機(jī)相位編碼光學(xué)加密系統(tǒng)示意圖Fig.3 System diagram of double random phase encoding optical encryption

其變換可用下面公式進(jìn)行表示：

式中：FT為傅里葉變換；FT－1為傅里葉逆變換。x、y是空間域的坐標(biāo)；u、v是頻率域的坐標(biāo)；m（x，y）、n（u，v）是兩塊隨機(jī)相位板的相位因子，其值都在0～1之間。

由于光路具有光學(xué)可逆性，因此解密是加密的逆過程。將基于4－f系統(tǒng)的雙隨機(jī)相位加密鏡組進(jìn)行倒置，并使用相同的2個(gè)隨機(jī)相位板作為秘鑰即可實(shí)現(xiàn)圖像的解密。在加密后的圖像逆行通過加密鏡組進(jìn)行解密的時(shí)候，由于是逆行通過傅里葉逆變換透鏡組FT1，所以相當(dāng)于先對(duì)圖像進(jìn)行了一次傅里葉正變換；當(dāng)圖像光線逆行通過傅里葉變換透鏡組FT2的時(shí)候，由于是逆行通過傅里葉正變換鏡組，相當(dāng)于是進(jìn)行了一次傅里葉逆變換。其解密數(shù)學(xué)公式如下：

4 仿真結(jié)果

基于以上光學(xué)加解密方法，本文利用Matlab編程，對(duì)一幅大小為512×512的彩色圖像的加解密過程進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖4所示，其中圖4（a）是原圖像；圖4（b）～圖4（d）分別是利用液晶光閥分離出的RGB各通道圖像；圖4（e）～圖4（g）分別是RGB各通道的傅里葉頻譜圖像；圖4（h）～圖4（j）是RGB各通道加密后的圖像；圖4（k）～圖4（m）分別是RGB各通道解密后圖像；圖4（n）是解密融合后的彩色圖像。

圖4 光學(xué)加解密仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of optical encryption and decryption

由圖可見，經(jīng)過加密后的各通道圖像已經(jīng)基本接近于白噪聲，在不知隨機(jī)相位板分布排列的情況下，恢復(fù)原圖像基本不可能實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過解密仿真，原彩色圖像經(jīng)過液晶光閥的通道分離以及光學(xué)加解密之后圖像基本復(fù)原。

5 結(jié)論

本文充分將液晶光閥彩色分離技術(shù)與雙隨機(jī)相位加密技術(shù)相結(jié)合，利用單個(gè)加解密通道實(shí)現(xiàn)了彩色視頻圖像加解密。在提高加解密效率的同時(shí)，保證了視頻傳輸過程的安全性。同時(shí)由于光學(xué)加解密技術(shù)只用在現(xiàn)有視頻傳輸鏈路的最前端以及最末端，不涉及現(xiàn)有視頻編碼和傳輸鏈路，增強(qiáng)了系統(tǒng)可用性和通用性，降低了制造成本。本系統(tǒng)在高清監(jiān)控迅速普及的未來將會(huì)產(chǎn)生重要的應(yīng)用價(jià)值，在軍事視頻監(jiān)控加解密領(lǐng)域也將擁有廣闊的應(yīng)用前景。

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