基于相位偏移数字全息与高鲁棒性双模态生物特征密钥的光学彩色零水印方法

《Entropy》：Optical Color Zero-Watermarking via Phase-Shifting Digital Holography Coupled with High-Robustness Bimodal Biometric Keys

　　

研究人员提出一种基于鲁棒双模态生物特征密钥与相位偏移数字全息的光学彩色零水印方案。彩色水印首先通过结合光栅调制、菲涅耳域双随机相位编码（DRPE）与相位偏移数字全息的光学加密框架加密为三个振幅密文，其中相位掩模由加密用户的虹膜与三维（3D）人脸特征导出的生物特征密钥生成。这些高层生物特征由双模态生物特征高阶特征提取网络（BBHEN）提取，该网络包含虹膜高阶数据提取网络与3D人脸高阶数据提取网络。随后将彩色宿主图像提取的特征与上述密文逐位异或，合并结果构造出同时含宿主与水印信息的单一零水印图像。提取时先进行生物特征认证验证解密用户身份，仅授权用户可通过零水印重建与提取恢复原始水印，否则终止流程。数值仿真证明了所提方案的有效性、安全性与鲁棒性，尤其体现了双模态生物特征密钥的强保护能力。

研究背景方面，数字图像保护因敏感图像面临未授权获取、篡改与不当分发风险而成为信息安全重要课题，图像水印因不可感知性、抗攻击性与认证能力受关注。光学水印凭借高安全性、大密钥空间与并行处理能力优势明显，自1995年双随机相位编码（DRPE）问世后，DRPE、数字全息、计算全息（CGH）、鬼成像与叠层成像等陆续引入水印领域。然而现有光学水印普遍存在随机相位掩模密钥难记忆携带、与用户身份绑定弱的问题；生物特征密钥虽可便携防丢并天然绑身份，但单模态（虹膜/指纹/掌纹）密钥空间有限，已有双模态方法鲁棒性不足，尤其2D人脸特征易截获伪造，且姿态表情遮挡致特征偏差引发认证失败。为此研究人员开展基于高鲁棒3D人脸与虹膜双模态密钥及相位偏移数字全息的光学彩色零水印研究，论文发表于《Entropy》。该研究首次将高鲁棒3D人脸与虹膜密钥引入光学图像水印，通过双模态生物特征高阶特征提取网络（BBHEN）提取高阶特征耦合混沌映射生成双模态生物特征混沌结构光相位掩模（BCSPM），结合光栅调制、菲涅耳域DRPE与三步相移数字全息生成三幅振幅密文，再与宿主图Canny边缘特征异或合并成噪声状彩色零水印；提取时先双模态认证（BBGS阈值0.65），通过后逆运算恢复水印。结论表明方案兼具大密钥空间（数字密钥约2⁹³）、强身份绑定、抗生物密钥攻击（3D脸±90°旋转/表情/50%遮挡、虹膜15%区域比例/眼镜/注视点干扰下相似度超阈值）与抗宿主图高斯噪声（强度1.0时ACC>0.7）、遮挡（50%时ACC>0.69）、JPEG压缩/中值均值滤波/旋转（最烈下ACC>0.35）等处理能力，全对密钥时各通道CC>0.95、PSNR>32 dB。

关键技术方法上，研究人员采用FaceScape数据集训练3D人脸高阶数据提取网络（FHEN，三层全连接512-256-128维+ReLU+交叉熵，留128维输出），直接复用公开预训练虹膜高阶数据提取网络（IHEN）；由双模态高阶特征十进制哈希驱动混沌矩阵生成BCSPM（含菲涅耳波带片FZP与径向希尔伯特掩模RHM参数）；水印端对RGB通道光栅调制融合后经三次菲涅耳衍射嵌BCSPM完成DRPE得物波，三步相移（0、2π/3、4π/3）得三振幅全息密文；零水印端取宿主图Canny边缘图（二值映至0/65535的16位灰度）与密文逐像素异或并通道合并；提取端重新算Canny边缘异或复原全息图，经复振幅重建、逆菲涅耳衍射乘BCSPM共轭、空间滤波分离RGB重组水印。仿真用Python 3.9与MATLAB 2021b，生物密钥来自FaceScape与CASIA-IrisV4。

研究结果部分，2 所提彩色零水印方法中，2.1 彩色零水印生成过程分S1双模态生物高阶提取与密钥生成（归一化→BBHEN提虹膜高阶特征/掩模与3D脸128维向量→十进制哈希映混沌初值→混沌序列构BCSPM）和S2基于DRPE与相移全息编码（RGB分离光栅调制融合→三程菲涅耳衍射嵌BCSPM→物波与参考波三步相移干涉得三密文；宿主Canny边缘与密文异或合并成零水印），由公式(1)-(10)闭环描述。2.2 零水印提取与解码过程分J1双模态认证与解密密钥获取（解密用户BBHEN提特征，算虹膜全局相似度IGS、3D脸全局相似度FGS及双模态全局相似度BBGS，BBGS>0.65且IGS、FGS同过阈则认证过，取BCSPM共轭为解密键）和J2彩色水印重建（宿主Canny边缘异或零水印复原全息→复振幅重建→逆菲涅耳衍射乘共轭BCSPM→空间滤波分RGB合并），由公式(11)-(17)描述。3 仿真与结果中，3.1 加解密仿真显示全对条件下R/G/B通道CC均>0.95、PSNR>32 dB，BBGS的EER=0.0352对应阈值0.65；3.2 安全性分析表明错脸/错虹膜（500余攻击者样本）致相似度低于0.65被拒，数字密钥（z₁/z₂/z₃、λ、FZP焦距、RHM拓扑荷）微偏即让ACC跌至0.1，数字密钥空间≈2⁹³；3.3 双模态密钥鲁棒性分析显示3D脸受±90°旋转、闭眼/张嘴/悲伤/愤怒、12.5%–50%遮挡时FGS仍超阈，虹膜受15%–60%区域比例、三种眼镜、三种注视点干扰时IGS仍超阈；3.4 宿主图鲁棒性分析显示高斯噪声强度0.1/0.5/1.0下ACC>0.7，遮挡12.5%/25%/50%下ACC>0.69，JPEG压缩50%/70%/90%、3×3~7×7中值与均值滤波、3°/5°/7°旋转下ACC最低仍>0.35；3.5 对比分析指出相较单模态或既有双模态方法，本方案因BBHEN引入使生成/提取耗时2.24 s/2.64 s，但生物密钥鲁棒性与身份绑定显著增强。

讨论与结论部分翻译总结：研究人员提出基于高鲁棒双模态生物特征密钥与相位偏移数字全息的光学彩色零水印构造方法，借BBHEN实现安全认证，融合光栅调制、菲涅耳域DRPE、相移数字全息与Canny边缘生成含宿主与水印信息的噪声状彩色零水印；数值仿真证其可行安全，3D脸抗旋转/表情/遮挡、虹膜抗距离/眼镜/注视干扰，宿主图抗噪声/遮挡/JPEG/滤波/旋转。相较既有生物密钥水印方法具三项优势：一增强认证安全与鲁棒（串行双模态需IGS、FGS、BBGS同过阈，单模态高分不补偿）；二具备彩色水印处理能力（光栅调制融RGB为单图编码）；三扩展密钥空间（BCSPM耦生物特征与含拓扑荷/焦距/波长的高敏结构光相位掩模）。研究局限为仅计算仿真未搭物理光路、未做物理假体欺骗攻防；未来将建实物平台、引声纹/指静脉、用更高维结构光相位掩模及叠层/超表面全息扩框架。该工作为安全光信息处理提供可绑身份、抗双模态攻击的彩色零水印新路径。