基于全息光學特征的物理與數字防偽融合技術研究現狀分析

■ 文/ 劉曉丹 郭小波 王舒 林江恒

1.證件防偽公安部重點實驗室 2.公安部第一研究所

關鍵字：全息光學 物理防偽 數字防偽

1 引言

防偽技術對于證卡、貨幣、證券、產品包裝和知識產權保護等領域至關重要。全息光學防偽技術和數字防偽技術分別具有自身的獨特技術優勢，但也存在各自的局限，面對信息技術的飛速發展，單一的防偽技術手段越來越難以解決復雜環境下的安全攻擊問題，這兩種技術的融合將提高防偽性能和安全性。

2 全息光學防偽技術和數字防偽技術

2.1 全息光學防偽技術

全息光學防偽技術利用光的干涉和衍射原理，記錄光的明暗和位置關系，并通過高精度印刷工藝復制在帶有涂層的薄膜上，實現可以隨角度的變化呈現不同圖形特征的特殊效果[1]。

全息光學防偽技術具有以下技術特點：一是信息豐富，全息圖像可以捕捉物體的三維信息，通過不同的光柵結構設計，呈現出2D、3D 真彩色圖像和動態光變等不同的光學效果，呈現比傳統平面圖像更多的細節特征（圖1）；二是難以偽造，全息圖像的復雜性和干涉圖案的特殊性使其對印刷制版技術要求高，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生動態效果，色彩絢麗，藝術性和防偽功能較強（圖3）。全息光學防偽技術已成為各個領域防復制及防偽造最廣泛應用和優先選擇的技術手段[2]。

圖2 華工圖像3D 連續動畫技術和透鏡再現圖文技術

圖3 不同光照角度下我國護照個人化信息頁

2.2 數字防偽技術

數字防偽技術是一種利用數字技術和計算機科學原理來保護產品、文檔、貨幣和其他物品免受偽造和欺詐行為的技術。涉及到將數字技術與物品的身份、完整性和真實性相關聯，以確保其合法性和安全性。

數字防偽技術的主要特點：一是數據加密，通過強大的加密算法保護了數據的安全，即使數據被竊取也難以解密；二是數據完整性，數字簽名和哈希函數等技術可以驗證數據的完整性，確保數據在傳輸和存儲過程中沒有被篡改；三是認證和授權，數字防偽技術用于用戶身份驗證和訪問控制，確保只有合法用戶可以訪問數據。目前數字加密技術主要依靠計算機來完成，以防止數據泄露、病毒攻擊、網絡入侵等，廣泛應用于計算機網絡、互聯網、電子通信和信息技術領域，安全性隨著算力水平的提高而不斷強大[5]。

2.3 全息光學防偽技術和數字防偽技術融合的優勢

全息光學防偽技術是物理特征，在現實層面難以被偽造，但存在識別驗證效率不高的問題。而數字防偽技術通過對相關信息進行加密以對抗攻擊，對計算機的計算能力依賴程度高，在安全性方面存在局限。而通過這兩種技術手段將加密信息進行物理特征和數字安全的關聯，可以用強大的算力對信息豐富的全息圖像進行加密保護敏感信息，提高產品真偽鑒別的效率和準確率，這種綜合的防偽解決方案，具備多層次保護、防偽性能高的技術優勢。

3 基于全息光學特征物理與數字防偽融合技術現狀

1960 年激光器的誕生促進了全息光學領域的研究和發展，現代全息光學防偽主要是利用彩虹、莫爾條紋、光學可變器件等技術對圖像進行隱藏，表現為目視識別、設備判定、實驗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在安全性方面存在很大弊端[5]。為提高防偽系統的安全性，目前數字加密技術已用于彌補全息光學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行編碼和變換，從而完成加密的過程[6]。

3.1 光學加密技術

目前光學系統與數字安全的融合主要表現為光學加密技術，呈現出高并行、高處理速度、多維度和便捷實現多種運算的優點[7]，主要有以下研究成果。

3.1.1 雙隨機相位編碼方法

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，是光學信息隱藏的主要技術方式之一，但存在編碼結果需要精確對準等問題，給實際應用帶來困難。

3.1.2 基于分數傅里葉變換的加密方法

為了彌補雙隨機相位編碼的技術缺陷，基于分數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，集中在數字水印算法、彩色圖像編碼等方面，文獻[8]提出了一種以JTC 的加密系統為基礎，將光學圖像和兩個對稱相位秘鑰進行融合的方法，通過傅里葉變換得到加密后的光學圖像，優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行加密的研究，通過旋轉晶體的方式，可以在多角度上隱藏圖片，并結合雙隨機相位編碼，將空間位置、相位分布以及相干光波長度作為光學加密處理的秘鑰，是光學加密技術與數字安全技術融合的重要體現[9]。中國科學院的張靜娟教授對光學信息加密的主要方法進行了深入研究[5]，融合多種算法實現多圖像加密、三維信息加密等，并推廣到一般應用場景[10]，提高了我國全息光學加密系統的安全性。

3.1.4 基于聯合變換相關器的光學信息安全系統

基于聯合變換相關器的光學信息安全系統在圖像加密、識別、身份驗證等方面應用較多[5]，是光學加密系統向實用化發展的重大進步[4]，在生物特征信息加密方面有重要嘗試，目前國內學界對這種光學加密方法也進行了融合研究，文獻[11]探索了一種基于光學全息的“指紋鎖”，利用生物特征圖像指紋作為秘鑰，基于光學全息加密記錄和再現的原理，用于保護智能卡用戶的個人身份識別PIN碼，有利于人證同一性認證。

3.2 全息光學數字加密技術

光學加密技術的研究雖然取得了較大進展，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雜密文。數字全息技術的出現解決了這個問題并廣泛應用于光學圖像加密。全息光學數字加密技術利用光學加密編碼等手段對圖像進行干涉，把圖像的振幅和相位信息存儲在加密圖像中[12]，并通過數字技術對圖像信息進行還原和解密，實現多圖像加密、三維信息加密等（圖4），光學與數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域的應用[5]。

圖4 由Javidi 和Kishk 提出的三維數字水印全息光學加密方法，

3.3 發展趨勢

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測性、類隨機性等特點而被應用到圖像加密領域，多年來多種技術方案驗證了其可靠性[14]，但在安全性方面有待提高。文獻[15]針對圖像傳輸的安全性問題，利用混沌相關特性，提出了一種可以抵抗選擇明文攻擊的對稱加密方案。文獻[16]提出了一個新四維多翼超混沌系統加密算法，擴大了加密系統的秘鑰空間。

此外，量子密碼、深度學習、區塊鏈等技術也逐漸應用于光學加密研究，并隨著技術進度將進一步拓展融合深度。

4 結語

從相關研究和技術現狀中可以看出，目前針對全息光學特征的物理與數字防偽融合技術研究多集中在光學加密技術研究，且趨同性較強。目前光學加密技術在快速消費品等商品流通領域應用較多，為了符合驗證真偽、容易識別、一物一碼的現實需求，帶有數字加密技術的全息防偽圖標通常以編碼(圖5)、噪聲圖等形式呈現（圖6），其實用性大于美觀性，未能充分突出全息光學特征的高藝術性特點。在身份證卡領域，目前呈現的效果尚不能兼顧信息隱藏、美觀、便捷、集中生產與個性化制作相統一的現實需求。全息光學物理防偽和數字間的橋梁正在建立，隨著技術的發展會有更多的互動和融合，為安全防范領域提供高維度的解決方案。

圖5 在當前應用中，以編碼形式出現的全息光學防偽數字加密方式

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