基于液晶光阀的视频光学加解密技术研究

王洪伟

（中国人民武装警察部队工程大学，陕西 西安710086）

引言

随着电视行业中720p、1 080i、1 080p以及4K等高清视频的陆续出现，监控视频行业也从最初的小分辨率逐渐走到了960H甚至1 920H的高清监控时代。随着视频监控需求越来越多、视频监控系统覆盖范围越来越广，人们对监控图像细节辨识度的要求也越来越高［1］。但是对于某些在监控视频传输过程中有加密需求的领域，监控视频的高清化却成了加密算法的严重负担，单帧图像数据量的增大对现行加解密算法也提出了严峻的考验。视频图像的增大将会严重增加加密算法的开支以及加解密的运算时间。因此快速有效地对高清视频进行加解密成为一个研究难题。因此，本文创新性地将光学加解密应用到了高清视频监控领域。由于光学加解密的速度与光速相等，所以能将加解密时间基本降为零，极大地提升了视频的传输性能。

目前，还未见有针对于视频图像进行光学加解密的相关报道出现。只有高丽娟等人在文献［2］中利用三色光栅对彩色图像实施了光学加密，但未涉及视频加密领域。本文摒弃了三色光栅的分空间彩色成像的加密方式，而改用了液晶光阀进行分时成像。这样就避免了三色光栅分空间成像对成像CCD阵列大小的压力。由于本设计利用光学调制变换来进行加解密，并且只在视频传输的最前端和最末端进行改造，因此本设计具有不受图像分辨率增加影响、加解密速度快、破解困难、易于实现、通用性强等特点。

1 视频光学加解密系统

视频光学加解密系统主要由光学镜头、液晶光阀、基于双随机相位编码的加密镜头组、CCD成像芯片及相关驱动电路、网络交换机、存储服务器等组成，其系统框图如图1所示。光线先进入光学镜头聚焦成像，再经液晶光阀按照红、绿、蓝的顺序将光线分时通过，然后分时通过的单色光穿过图像光学加密镜组，最后在CCD感光芯片上进行成像。成像为接近白噪声的加密后的图像。加密后的图像可以直接进入存储服务器，进行加密存储；或者通过网络交换机直接接入网络。

由于光具有可逆性，光学解密过程基本上相当于光学加密的逆过程。将加密系统直接传来的图像数据或者通过网络传过来的图像数据先进行电光转换，然后进入倒置后的光学加密镜组，最后再次成像恢复成加密前的图像。解密后的图像可以进入服务器进行存储或者经过其他显示设备进行显示。

本系统的监控图像在光学加密镜组中进行了一次光学傅里叶变换和一次傅里叶反变换，同时辅以2个随机相位板［3］的光学置乱进行光学加密。加密后的图像接近均匀白噪声，在不知相位板排列的情况下几乎不可能恢复出来原图像。

图1 监控视频光学加解密系统框图Fig.1 System block diagram of video optical encryption

2 液晶光阀工作原理

液晶光阀是一种利用电压控制液晶晶体分子轴取向来控制折射率发生变化，进而实现不同波段的光线选择性输出的滤波装置［4－5］。液晶光阀主要由液晶层、电极、液晶分子取向模等关键部分组成，其具体结构如图2所示。一般情况下光轴与分子长轴方向一致，若在透明电极两端加上一定的电压，液晶分子的排列方向就会在电场的作用下发生变化，从而实现电场控制的双折射效应的变化，进而导致沿光传播方向的折射系数no与ne发生变化［6－7］。

当一束光通过液晶光阀中的液晶层时，对于波长为λ的光线经偏振光检偏后会发生干涉，其透过率为：

式中：d为液晶层的厚度；Δn0是液晶层在温度为T、波长为λi、电压V＝0时的双折射率；f（V）是液晶双折射率随变压变化的函数。

图2 液晶光阀结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the liquid crystal light valve

本系统就是在控制液晶光阀电压的同时配合CCD曝光顺序，从而将一幅彩色图像按照红、绿、蓝的顺序分时通过，最后在灰度CCD上成3幅具有RGB（Red，Green，Blue）属性的灰度图像。这样的话就能将3组光学加密镜组的彩色图像加密简化为1组光学加密镜组，简化了系统结构，提高了加密效率。

3 彩色视频图像单通道加解密

彩色视频图像单通道加解密技术，除了加解密不消耗时间的优势之外，还具有不改变原视频加解码、不改变原有视频传输链路的优势。本技术只需要在现行视频传输链路的前端与末端进行改造即可实现。

彩色视频图像单通道加解密是将通过液晶光阀后的灰度图像作为加密输入，采用基于4－f系统的双随机相位编码进行视频光学加解密［8－9］。其系统如图3所示。加密时，首先利用一个随机相位板exp（i2πm（x，y））对输入信号f（x，y）进行一次置乱，然后将置乱后的图像f′（x，y）再经傅里叶镜组FT1进行一次傅里叶变换［10］得到频谱图像g（u，v），然后再利用第2块随机相位板exp（i2πn（x，y））进行二次频谱置乱得到图像g′（u，v），最后再经过傅里叶逆变换镜组FT2进行一次傅里叶逆变换得到接近于白噪声的图像I（x，y）。

图3 双随机相位编码光学加密系统示意图Fig.3 System diagram of double random phase encoding optical encryption

其变换可用下面公式进行表示：

式中：FT为傅里叶变换；FT－1为傅里叶逆变换。x、y是空间域的坐标；u、v是频率域的坐标；m（x，y）、n（u，v）是两块随机相位板的相位因子，其值都在0～1之间。

由于光路具有光学可逆性，因此解密是加密的逆过程。将基于4－f系统的双随机相位加密镜组进行倒置，并使用相同的2个随机相位板作为秘钥即可实现图像的解密。在加密后的图像逆行通过加密镜组进行解密的时候，由于是逆行通过傅里叶逆变换透镜组FT1，所以相当于先对图像进行了一次傅里叶正变换；当图像光线逆行通过傅里叶变换透镜组FT2的时候，由于是逆行通过傅里叶正变换镜组，相当于是进行了一次傅里叶逆变换。其解密数学公式如下：

4 仿真结果

基于以上光学加解密方法，本文利用Matlab编程，对一幅大小为512×512的彩色图像的加解密过程进行了仿真，仿真结果如图4所示，其中图4（a）是原图像；图4（b）～图4（d）分别是利用液晶光阀分离出的RGB各通道图像；图4（e）～图4（g）分别是RGB各通道的傅里叶频谱图像；图4（h）～图4（j）是RGB各通道加密后的图像；图4（k）～图4（m）分别是RGB各通道解密后图像；图4（n）是解密融合后的彩色图像。

图4 光学加解密仿真结果Fig.4 Simulation results of optical encryption and decryption

由图可见，经过加密后的各通道图像已经基本接近于白噪声，在不知随机相位板分布排列的情况下，恢复原图像基本不可能实现。经过解密仿真，原彩色图像经过液晶光阀的通道分离以及光学加解密之后图像基本复原。

5 结论

本文充分将液晶光阀彩色分离技术与双随机相位加密技术相结合，利用单个加解密通道实现了彩色视频图像加解密。在提高加解密效率的同时，保证了视频传输过程的安全性。同时由于光学加解密技术只用在现有视频传输链路的最前端以及最末端，不涉及现有视频编码和传输链路，增强了系统可用性和通用性，降低了制造成本。本系统在高清监控迅速普及的未来将会产生重要的应用价值，在军事视频监控加解密领域也将拥有广阔的应用前景。

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