基于全息光学特征的物理与数字防伪融合技术研究现状分析

■ 文/ 刘晓丹 郭小波 王舒 林江恒

1.证件防伪公安部重点实验室 2.公安部第一研究所

关键字：全息光学 物理防伪 数字防伪

1 引言

防伪技术对于证卡、货币、证券、产品包装和知识产权保护等领域至关重要。全息光学防伪技术和数字防伪技术分别具有自身的独特技术优势，但也存在各自的局限，面对信息技术的飞速发展，单一的防伪技术手段越来越难以解决复杂环境下的安全攻击问题，这两种技术的融合将提高防伪性能和安全性。

2 全息光学防伪技术和数字防伪技术

2.1 全息光学防伪技术

全息光学防伪技术利用光的干涉和衍射原理，记录光的明暗和位置关系，并通过高精度印刷工艺复制在带有涂层的薄膜上，实现可以随角度的变化呈现不同图形特征的特殊效果[1]。

全息光学防伪技术具有以下技术特点：一是信息丰富，全息图像可以捕捉物体的三维信息，通过不同的光栅结构设计，呈现出2D、3D 真彩色图像和动态光变等不同的光学效果，呈现比传统平面图像更多的细节特征（图1）；二是难以伪造，全息图像的复杂性和干涉图案的特殊性使其对印刷制版技术要求高，提高了安全性（图2）；三是视觉效果好，全息图像在不同角度和光照条件下会产生动态效果，色彩绚丽，艺术性和防伪功能较强（图3）。全息光学防伪技术已成为各个领域防复制及防伪造最广泛应用和优先选择的技术手段[2]。

图2 华工图像3D 连续动画技术和透镜再现图文技术

图3 不同光照角度下我国护照个人化信息页

2.2 数字防伪技术

数字防伪技术是一种利用数字技术和计算机科学原理来保护产品、文档、货币和其他物品免受伪造和欺诈行为的技术。涉及到将数字技术与物品的身份、完整性和真实性相关联，以确保其合法性和安全性。

数字防伪技术的主要特点：一是数据加密，通过强大的加密算法保护了数据的安全，即使数据被窃取也难以解密；二是数据完整性，数字签名和哈希函数等技术可以验证数据的完整性，确保数据在传输和存储过程中没有被篡改；三是认证和授权，数字防伪技术用于用户身份验证和访问控制，确保只有合法用户可以访问数据。目前数字加密技术主要依靠计算机来完成，以防止数据泄露、病毒攻击、网络入侵等，广泛应用于计算机网络、互联网、电子通信和信息技术领域，安全性随着算力水平的提高而不断强大[5]。

2.3 全息光学防伪技术和数字防伪技术融合的优势

全息光学防伪技术是物理特征，在现实层面难以被伪造，但存在识别验证效率不高的问题。而数字防伪技术通过对相关信息进行加密以对抗攻击，对计算机的计算能力依赖程度高，在安全性方面存在局限。而通过这两种技术手段将加密信息进行物理特征和数字安全的关联，可以用强大的算力对信息丰富的全息图像进行加密保护敏感信息，提高产品真伪鉴别的效率和准确率，这种综合的防伪解决方案，具备多层次保护、防伪性能高的技术优势。

3 基于全息光学特征物理与数字防伪融合技术现状

1960 年激光器的诞生促进了全息光学领域的研究和发展，现代全息光学防伪主要是利用彩虹、莫尔条纹、光学可变器件等技术对图像进行隐藏，表现为目视识别、设备判定、实验室鉴伪等不同级别的物理防伪手段，但这些不含密钥的隐藏技术在安全性方面存在很大弊端[5]。为提高防伪系统的安全性，目前数字加密技术已用于弥补全息光学物理防伪手段的不足，通过各种物理量（如光信号，量子信号等）承载信息，依靠物理过程对这些物理量进行编码和变换，从而完成加密的过程[6]。

3.1 光学加密技术

目前光学系统与数字安全的融合主要表现为光学加密技术，呈现出高并行、高处理速度、多维度和便捷实现多种运算的优点[7]，主要有以下研究成果。

3.1.1 双随机相位编码方法

1995 年由Javidi 等人提出，通过加密文字或图案信息得到均匀分布的白噪声，在信息隐藏方面具有重要潜力，是光学信息隐藏的主要技术方式之一，但存在编码结果需要精确对准等问题，给实际应用带来困难。

3.1.2 基于分数傅里叶变换的加密方法

为了弥补双随机相位编码的技术缺陷，基于分数傅里叶变换的加密方法由Victor Namias 提出并被广泛研究。我国研究人员也做了大量工作，集中在数字水印算法、彩色图像编码等方面，文献[8]提出了一种以JTC 的加密系统为基础，将光学图像和两个对称相位秘钥进行融合的方法，通过傅里叶变换得到加密后的光学图像，优化和提升了傅里叶变换的抗攻击性能。

3.1.3 基于菲涅尔变换的加密方法

Matoba 和Javidi 于1999 年提出的基于菲涅尔变换的加密方法来源于对全息存储进行加密的研究，通过旋转晶体的方式，可以在多角度上隐藏图片，并结合双随机相位编码，将空间位置、相位分布以及相干光波长度作为光学加密处理的秘钥，是光学加密技术与数字安全技术融合的重要体现[9]。中国科学院的张静娟教授对光学信息加密的主要方法进行了深入研究[5]，融合多种算法实现多图像加密、三维信息加密等，并推广到一般应用场景[10]，提高了我国全息光学加密系统的安全性。

3.1.4 基于联合变换相关器的光学信息安全系统

基于联合变换相关器的光学信息安全系统在图像加密、识别、身份验证等方面应用较多[5]，是光学加密系统向实用化发展的重大进步[4]，在生物特征信息加密方面有重要尝试，目前国内学界对这种光学加密方法也进行了融合研究，文献[11]探索了一种基于光学全息的“指纹锁”，利用生物特征图像指纹作为秘钥，基于光学全息加密记录和再现的原理，用于保护智能卡用户的个人身份识别PIN码，有利于人证同一性认证。

3.2 全息光学数字加密技术

光学加密技术的研究虽然取得了较大进展，但都面临着如何有效存储和传输包含振幅信息和相位信息的复杂密文。数字全息技术的出现解决了这个问题并广泛应用于光学图像加密。全息光学数字加密技术利用光学加密编码等手段对图像进行干涉，把图像的振幅和相位信息存储在加密图像中[12]，并通过数字技术对图像信息进行还原和解密，实现多图像加密、三维信息加密等（图4），光学与数字信息的处理兼容效果好，但也存在图像分辨率、三维物体尺寸限制等问题，制约了其在信息隐藏领域的应用[5]。

图4 由Javidi 和Kishk 提出的三维数字水印全息光学加密方法，

3.3 发展趋势

Matthews 在1989 年提出“混沌密码”的概念后，因其初值敏感与长期不可预测性、类随机性等特点而被应用到图像加密领域，多年来多种技术方案验证了其可靠性[14]，但在安全性方面有待提高。文献[15]针对图像传输的安全性问题，利用混沌相关特性，提出了一种可以抵抗选择明文攻击的对称加密方案。文献[16]提出了一个新四维多翼超混沌系统加密算法，扩大了加密系统的秘钥空间。

此外，量子密码、深度学习、区块链等技术也逐渐应用于光学加密研究，并随着技术进度将进一步拓展融合深度。

4 结语

从相关研究和技术现状中可以看出，目前针对全息光学特征的物理与数字防伪融合技术研究多集中在光学加密技术研究，且趋同性较强。目前光学加密技术在快速消费品等商品流通领域应用较多，为了符合验证真伪、容易识别、一物一码的现实需求，带有数字加密技术的全息防伪图标通常以编码(图5)、噪声图等形式呈现（图6），其实用性大于美观性，未能充分突出全息光学特征的高艺术性特点。在身份证卡领域，目前呈现的效果尚不能兼顾信息隐藏、美观、便捷、集中生产与个性化制作相统一的现实需求。全息光学物理防伪和数字间的桥梁正在建立，随着技术的发展会有更多的互动和融合，为安全防范领域提供高维度的解决方案。

图5 在当前应用中，以编码形式出现的全息光学防伪数字加密方式

图6 在当前研究中，以黑白噪声图形式出现的全息光学防伪数字加密方式，左列为明文图像，中间列为密文图像，右列为解密图像