■ 文/ 劉曉丹 郭小波 王舒 林江恒

1.證件防偽公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2.公安部第一研究所

關(guān)鍵字：全息光學(xué) 物理防偽 數(shù)字防偽

1 引言

防偽技術(shù)對于證卡、貨幣、證券、產(chǎn)品包裝和知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)等領(lǐng)域至關(guān)重要。全息光學(xué)防偽技術(shù)和數(shù)字防偽技術(shù)分別具有自身的獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢，但也存在各自的局限，面對信息技術(shù)的飛速發(fā)展，單一的防偽技術(shù)手段越來越難以解決復(fù)雜環(huán)境下的安全攻擊問題，這兩種技術(shù)的融合將提高防偽性能和安全性。

2 全息光學(xué)防偽技術(shù)和數(shù)字防偽技術(shù)

2.1 全息光學(xué)防偽技術(shù)

全息光學(xué)防偽技術(shù)利用光的干涉和衍射原理，記錄光的明暗和位置關(guān)系，并通過高精度印刷工藝復(fù)制在帶有涂層的薄膜上，實(shí)現(xiàn)可以隨角度的變化呈現(xiàn)不同圖形特征的特殊效果[1]。

全息光學(xué)防偽技術(shù)具有以下技術(shù)特點(diǎn)：一是信息豐富，全息圖像可以捕捉物體的三維信息，通過不同的光柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，呈現(xiàn)出2D、3D 真彩色圖像和動態(tài)光變等不同的光學(xué)效果，呈現(xiàn)比傳統(tǒng)平面圖像更多的細(xì)節(jié)特征（圖1）；二是難以偽造，全息圖像的復(fù)雜性和干涉圖案的特殊性使其對印刷制版技術(shù)要求高，提高了安全性（圖2）；三是視覺效果好，全息圖像在不同角度和光照條件下會產(chǎn)生動態(tài)效果，色彩絢麗，藝術(shù)性和防偽功能較強(qiáng)（圖3）。全息光學(xué)防偽技術(shù)已成為各個(gè)領(lǐng)域防復(fù)制及防偽造最廣泛應(yīng)用和優(yōu)先選擇的技術(shù)手段[2]。

圖2 華工圖像3D 連續(xù)動畫技術(shù)和透鏡再現(xiàn)圖文技術(shù)

圖3 不同光照角度下我國護(hù)照個(gè)人化信息頁

2.2 數(shù)字防偽技術(shù)

數(shù)字防偽技術(shù)是一種利用數(shù)字技術(shù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)原理來保護(hù)產(chǎn)品、文檔、貨幣和其他物品免受偽造和欺詐行為的技術(shù)。涉及到將數(shù)字技術(shù)與物品的身份、完整性和真實(shí)性相關(guān)聯(lián)，以確保其合法性和安全性。

數(shù)字防偽技術(shù)的主要特點(diǎn)：一是數(shù)據(jù)加密，通過強(qiáng)大的加密算法保護(hù)了數(shù)據(jù)的安全，即使數(shù)據(jù)被竊取也難以解密；二是數(shù)據(jù)完整性，數(shù)字簽名和哈希函數(shù)等技術(shù)可以驗(yàn)證數(shù)據(jù)的完整性，確保數(shù)據(jù)在傳輸和存儲過程中沒有被篡改；三是認(rèn)證和授權(quán)，數(shù)字防偽技術(shù)用于用戶身份驗(yàn)證和訪問控制，確保只有合法用戶可以訪問數(shù)據(jù)。目前數(shù)字加密技術(shù)主要依靠計(jì)算機(jī)來完成，以防止數(shù)據(jù)泄露、病毒攻擊、網(wǎng)絡(luò)入侵等，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、電子通信和信息技術(shù)領(lǐng)域，安全性隨著算力水平的提高而不斷強(qiáng)大[5]。

2.3 全息光學(xué)防偽技術(shù)和數(shù)字防偽技術(shù)融合的優(yōu)勢

全息光學(xué)防偽技術(shù)是物理特征，在現(xiàn)實(shí)層面難以被偽造，但存在識別驗(yàn)證效率不高的問題。而數(shù)字防偽技術(shù)通過對相關(guān)信息進(jìn)行加密以對抗攻擊，對計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力依賴程度高，在安全性方面存在局限。而通過這兩種技術(shù)手段將加密信息進(jìn)行物理特征和數(shù)字安全的關(guān)聯(lián)，可以用強(qiáng)大的算力對信息豐富的全息圖像進(jìn)行加密保護(hù)敏感信息，提高產(chǎn)品真?zhèn)舞b別的效率和準(zhǔn)確率，這種綜合的防偽解決方案，具備多層次保護(hù)、防偽性能高的技術(shù)優(yōu)勢。

3 基于全息光學(xué)特征物理與數(shù)字防偽融合技術(shù)現(xiàn)狀

1960 年激光器的誕生促進(jìn)了全息光學(xué)領(lǐng)域的研究和發(fā)展，現(xiàn)代全息光學(xué)防偽主要是利用彩虹、莫爾條紋、光學(xué)可變器件等技術(shù)對圖像進(jìn)行隱藏，表現(xiàn)為目視識別、設(shè)備判定、實(shí)驗(yàn)室鑒偽等不同級別的物理防偽手段，但這些不含密鑰的隱藏技術(shù)在安全性方面存在很大弊端[5]。為提高防偽系統(tǒng)的安全性，目前數(shù)字加密技術(shù)已用于彌補(bǔ)全息光學(xué)物理防偽手段的不足，通過各種物理量（如光信號，量子信號等）承載信息，依靠物理過程對這些物理量進(jìn)行編碼和變換，從而完成加密的過程[6]。

3.1 光學(xué)加密技術(shù)

目前光學(xué)系統(tǒng)與數(shù)字安全的融合主要表現(xiàn)為光學(xué)加密技術(shù)，呈現(xiàn)出高并行、高處理速度、多維度和便捷實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)算的優(yōu)點(diǎn)[7]，主要有以下研究成果。

3.1.1 雙隨機(jī)相位編碼方法

1995 年由Javidi 等人提出，通過加密文字或圖案信息得到均勻分布的白噪聲，在信息隱藏方面具有重要潛力，是光學(xué)信息隱藏的主要技術(shù)方式之一，但存在編碼結(jié)果需要精確對準(zhǔn)等問題，給實(shí)際應(yīng)用帶來困難。

3.1.2 基于分?jǐn)?shù)傅里葉變換的加密方法

為了彌補(bǔ)雙隨機(jī)相位編碼的技術(shù)缺陷，基于分?jǐn)?shù)傅里葉變換的加密方法由Victor Namias 提出并被廣泛研究。我國研究人員也做了大量工作，集中在數(shù)字水印算法、彩色圖像編碼等方面，文獻(xiàn)[8]提出了一種以JTC 的加密系統(tǒng)為基礎(chǔ)，將光學(xué)圖像和兩個(gè)對稱相位秘鑰進(jìn)行融合的方法，通過傅里葉變換得到加密后的光學(xué)圖像，優(yōu)化和提升了傅里葉變換的抗攻擊性能。

3.1.3 基于菲涅爾變換的加密方法

Matoba 和Javidi 于1999 年提出的基于菲涅爾變換的加密方法來源于對全息存儲進(jìn)行加密的研究，通過旋轉(zhuǎn)晶體的方式，可以在多角度上隱藏圖片，并結(jié)合雙隨機(jī)相位編碼，將空間位置、相位分布以及相干光波長度作為光學(xué)加密處理的秘鑰，是光學(xué)加密技術(shù)與數(shù)字安全技術(shù)融合的重要體現(xiàn)[9]。中國科學(xué)院的張靜娟教授對光學(xué)信息加密的主要方法進(jìn)行了深入研究[5]，融合多種算法實(shí)現(xiàn)多圖像加密、三維信息加密等，并推廣到一般應(yīng)用場景[10]，提高了我國全息光學(xué)加密系統(tǒng)的安全性。

3.1.4 基于聯(lián)合變換相關(guān)器的光學(xué)信息安全系統(tǒng)

基于聯(lián)合變換相關(guān)器的光學(xué)信息安全系統(tǒng)在圖像加密、識別、身份驗(yàn)證等方面應(yīng)用較多[5]，是光學(xué)加密系統(tǒng)向?qū)嵱没l(fā)展的重大進(jìn)步[4]，在生物特征信息加密方面有重要嘗試，目前國內(nèi)學(xué)界對這種光學(xué)加密方法也進(jìn)行了融合研究，文獻(xiàn)[11]探索了一種基于光學(xué)全息的“指紋鎖”，利用生物特征圖像指紋作為秘鑰，基于光學(xué)全息加密記錄和再現(xiàn)的原理，用于保護(hù)智能卡用戶的個(gè)人身份識別PIN碼，有利于人證同一性認(rèn)證。

3.2 全息光學(xué)數(shù)字加密技術(shù)

光學(xué)加密技術(shù)的研究雖然取得了較大進(jìn)展，但都面臨著如何有效存儲和傳輸包含振幅信息和相位信息的復(fù)雜密文。數(shù)字全息技術(shù)的出現(xiàn)解決了這個(gè)問題并廣泛應(yīng)用于光學(xué)圖像加密。全息光學(xué)數(shù)字加密技術(shù)利用光學(xué)加密編碼等手段對圖像進(jìn)行干涉，把圖像的振幅和相位信息存儲在加密圖像中[12]，并通過數(shù)字技術(shù)對圖像信息進(jìn)行還原和解密，實(shí)現(xiàn)多圖像加密、三維信息加密等（圖4），光學(xué)與數(shù)字信息的處理兼容效果好，但也存在圖像分辨率、三維物體尺寸限制等問題，制約了其在信息隱藏領(lǐng)域的應(yīng)用[5]。

圖4 由Javidi 和Kishk 提出的三維數(shù)字水印全息光學(xué)加密方法，

3.3 發(fā)展趨勢

Matthews 在1989 年提出“混沌密碼”的概念后，因其初值敏感與長期不可預(yù)測性、類隨機(jī)性等特點(diǎn)而被應(yīng)用到圖像加密領(lǐng)域，多年來多種技術(shù)方案驗(yàn)證了其可靠性[14]，但在安全性方面有待提高。文獻(xiàn)[15]針對圖像傳輸?shù)陌踩詥栴}，利用混沌相關(guān)特性，提出了一種可以抵抗選擇明文攻擊的對稱加密方案。文獻(xiàn)[16]提出了一個(gè)新四維多翼超混沌系統(tǒng)加密算法，擴(kuò)大了加密系統(tǒng)的秘鑰空間。

此外，量子密碼、深度學(xué)習(xí)、區(qū)塊鏈等技術(shù)也逐漸應(yīng)用于光學(xué)加密研究，并隨著技術(shù)進(jìn)度將進(jìn)一步拓展融合深度。

4 結(jié)語

從相關(guān)研究和技術(shù)現(xiàn)狀中可以看出，目前針對全息光學(xué)特征的物理與數(shù)字防偽融合技術(shù)研究多集中在光學(xué)加密技術(shù)研究，且趨同性較強(qiáng)。目前光學(xué)加密技術(shù)在快速消費(fèi)品等商品流通領(lǐng)域應(yīng)用較多，為了符合驗(yàn)證真?zhèn)?、容易識別、一物一碼的現(xiàn)實(shí)需求，帶有數(shù)字加密技術(shù)的全息防偽圖標(biāo)通常以編碼(圖5)、噪聲圖等形式呈現(xiàn)（圖6），其實(shí)用性大于美觀性，未能充分突出全息光學(xué)特征的高藝術(shù)性特點(diǎn)。在身份證卡領(lǐng)域，目前呈現(xiàn)的效果尚不能兼顧信息隱藏、美觀、便捷、集中生產(chǎn)與個(gè)性化制作相統(tǒng)一的現(xiàn)實(shí)需求。全息光學(xué)物理防偽和數(shù)字間的橋梁正在建立，隨著技術(shù)的發(fā)展會有更多的互動和融合，為安全防范領(lǐng)域提供高維度的解決方案。

圖5 在當(dāng)前應(yīng)用中，以編碼形式出現(xiàn)的全息光學(xué)防偽數(shù)字加密方式

圖6 在當(dāng)前研究中，以黑白噪聲圖形式出現(xiàn)的全息光學(xué)防偽數(shù)字加密方式，左列為明文圖像，中間列為密文圖像，右列為解密圖像