基于旋转变换域随机魔鬼涡旋相位掩模的视觉意义非对称图像加密方法

为解决传统图像加密方法生成噪声状密文易暴露加密信息的问题，研究人员提出了一种基于旋转变换域和随机魔鬼涡旋相位掩模（RDVPM）的视觉意义非对称加密方法。该方法通过构建RDVPM作为公钥，结合振幅-相位截断技术生成私钥，实现了高效且高安全性的加密系统。其核心创新在于采用纯自然视觉意义密文图像（VMCI），有效解决了纹理丢失和体积膨胀问题，并通过光学调制模型提升了抗攻击能力。该研究为光学信息安全领域提供了快速、无损的加密新思路。

　　

在数字化时代，图像信息因其高冗余和大数据量的特性，成为信息安全领域的重点保护对象。然而，传统图像加密方法往往将原始图像转化为噪声状的密文，这种明显的加密痕迹犹如在数据上贴了一张“此处有秘密”的标签，反而容易引起攻击者的针对性破解。更棘手的是，现有视觉意义加密方法虽能生成看似自然的密文图像，却普遍存在纹理失真、数据体积翻倍等问题，就像试图将一头大象塞进冰箱——要么挤坏冰箱，要么压扁大象。

针对这一技术困局，中国某高校的研究团队在《Optics and Lasers in Engineering》发表了一项突破性研究。他们巧妙融合光学变换理论与现代密码学，开发出基于旋转变换（Gyrator Transform）和随机魔鬼涡旋相位掩模（RDVPM）的新型加密系统。这项研究的精妙之处在于：一方面利用RDVPM的复杂相位结构构建“光学指纹锁”，另一方面通过纯自然图像生成视觉意义密文（VMCI），使加密后的图像既能完美伪装成普通照片，又不会像压缩感知方法那样丢失关键信息。就像给机密文件穿上隐身衣，既隐藏了存在，又保留了完整形态。

研究团队采用三项核心技术实现这一目标：首先基于魔鬼透镜函数、菲涅尔波带片相位函数和涡旋相位函数构建RDVPM公钥；其次在旋转变换域运用振幅-相位截断技术生成私钥源；最后通过光电调制模型实现光学加密系统的物理部署。这些技术如同精密齿轮的咬合，共同驱动加密系统的高效运转。

Gyrator变换理论
研究首先建立了旋转变换的数学框架，该变换能通过两次快速傅里叶变换实现图像信号的二维处理。相较于传统傅里叶变换，其自由阶次特性显著增加了密钥空间，为系统安全性奠定基础。

视觉意义加密系统
系统创新性地将加密过程转化为密钥生成过程。通过将原始图像与VMCI在旋转变换域进行耦合，利用振幅截断生成私钥Private Key1，相位截断生成Private Key2，形成双因子认证机制。这种非对称结构使得即便公钥泄露，攻击者仍无法逆向推导私钥。

光电密钥源生成系统
光学实现部分设计精巧：垂直偏振激光经分束器分为两路，分别照射RDVPM和空间光调制器（SLM）。通过半波片（HWP）调节偏振方向，最终在CCD相机上捕获干涉图案生成密钥源。该装置将数学加密模型转化为可物理实现的光路系统。

数值模拟分析
测试采用512×512像素的4组图像，峰值信噪比（PSNR）均高于38dB，归一化相关系数（NCC）接近1。系统对旋转角度偏差的敏感度达10^-14
，密钥空间达10⁵⁹
，能抵抗高斯噪声、椒盐噪声和30%的遮挡攻击。特别在选择明文攻击下，相邻像素相关系数低于0.003，显著优于传统方法。

这项研究的意义不仅在于技术突破，更开创了光学信息安全的新范式。其提出的纯自然VMCI概念，彻底解决了加密图像“欲盖弥彰”的悖论；而基于RDVPM的非对称体系，则为光学加密系统提供了“一人一密”的可能。正如研究者所言，这项技术“像给数据穿上隐形斗篷”——既看不见加密痕迹，又摸不到解密钥匙，为医疗影像、军事通信等敏感领域的数据传输提供了理想解决方案。未来，团队计划将系统扩展至量子加密领域，进一步探索光学密码学的物理极限。