长春工业大学本科毕业论文
伽柏全息图进行了改进，引入\斜参考光束法\一举解决了\孪生像\问题，用氦氖激光器成功地拍摄了第一张实用的激光全息图。这样就使得全息术在1963年以后成为光学领域中最活跃的分支之一。1964年利思等人又提出了漫射全息图的概念，并得到三维物体的再现。与此同时，苏联的物理学家根据李普曼彩色照相法和伽柏全息法提出了反射全息图的概念。
1965年以来全息术的一个重要分支──脉冲全息术得到了发展，这使得动态全息干涉计量获得了实际应用。 1.1.2 全息术的特点
当用光波照射全息图时，由于衍射原理能重现出原始光波，从而形成与原物体逼真的三维像。因此全息术具有以下突出的特点和优点：
1. 三维立体性－全息照相再现的像是三维立体的，具有如同观看真实物体一样 的立体感，这一性质与现有的用偏振镜观看的立体电影有着本质的区别。
2. 可分割性－全息照片的碎片仍然可以反映出整个物体的像来，不会因照片的 破碎而失去像的完整性。
3. 信息容量大－全息存储的理论存储容量上限为13 K(K为记录光波长)，远大于磁盘和光盘的存储容量。 1.1.3 全息术的分类
全息照片可分为振幅型(又叫吸收型)和位相型两大类，它们按照与被记录时的曝光量相对应的方式分别改变照明光波的振幅或位相。如果根据干涉条纹的间距和感光膜层厚度的相对大小来划分，则有薄型(二维型或平面型)和厚型(三维型或体积型)两类全息照片。在薄型全息照片中，按拍摄时物光束与参考光束是否在感光膜的同侧入射，分为透射型全息照片和反射型全息照片。如按记录全息图时光路布局的不同分类，有同轴型全息图和离轴型全息图。 1.1.4 全息术的主要应用
经过近几十年的发展，全息术在实际应用中的应用已经十分广泛。下面是一些全息术的主要应用的介绍及其发展：
1. 模压全息技术
模压全息技术是把全息及电镀、压印等技术结合起来的一种技术，它使全息术冲破实验室的束缚和实现其市场化。这种模压全息技术可以像印刷一样大批量的快速复制，又可以和其他印刷术结合起来使用，而且其价钱低廉，被称为“21世纪的印刷术”。由于全息图的制作工艺复杂，技术难度比较大，再加上在拍摄的过程中，可以加上数码技术进行加密处理，所以模压全系极速已经作为一种能够行之有效的防伪手段越来越广泛的用于商品包装、信用卡、钞票等的防伪。此外，由于激光全息图的色彩神奇、图像逼真、在艺术和装饰等方面也备受青睐。
2. 全息干涉计量
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用全息干涉的方法进行精密测量，称为全息干涉计量，是目前全息应用最广泛的领域之一。干涉计量的基础是波前比较。全息术是唯一能记录和再现波前的技术，这使我们有可能用严格的标准波前与一个编写物体产生的波前相比较而实现干涉计量，由于标准波前和变形波前是通过同一光路来产生的，因而可以消除系统误差，这样对光学原件的精度要求可以降低，这是其他干涉计量方法不容易做到的。目前，全息干涉计量分析在无损检验、振动分析、微应力应变测量、形状和等高线的检测等领域中已经得法哦广泛的应用。
3. 计算全息的应用
将计算机技术和全息技术相结合，称为计算全息。计算全息不仅可以全面记录广播的振幅和相位，而且能综合复杂的，或者世间不存在的物体的全息图(只要有该物体的数学表达式即可)，在低噪声、高重复率等方面也远远优于光学全息，因而具有独特的优点和极大的灵活性。例如在工程设计中，为了避免制作复杂的模型，因而只要将设计数据输入计算机，制作计算全息图，就可以显示出三围立体像来。目前，计算全息的主要应用范围是：二维和三维物体像的显示，制作各种空间滤波器；产生特定波面用于全息干涉计量；计算全息扫描仪器等等。此外，计算全息在安全方面也有独特的优点。例如，将要加密的图像信息根据干涉远离随机分解成两部分，分别记录在两张计算全息图上。当两张全息图对准合在一起照明再现时，才可以再现出原来的信息，只有同时拥有这两张配对的全息图才可以解出原来的信息，因而用于图像信息加密时，具有很高的安全性，随着大容量、高速度计算的不断出现，以及激光扫描器、电子束、粒子束等成像技术的发展，计算全息必将显示更大的优越性，展宽更多的应用领域。
1.1.5 全息术的发展趋势
目前，全息技术的产品正越来越多地走向市场，而且这种新技术正以极大的魅力吸引着众多的科技人员致力研究，其发展前景无限美好。在未来很多课题的研究中成为全息术研究的热点：
1. 白光记录和白光再现的全息图将使全息术最终走出实验室，进行更为广泛的实用领域。
2. 干涉计量用全息彩虹相机的研究，研制出结构简单且实用的全息照相机；数字全息图的研究。
3. 模压光栅全息图的研究。这是将飞速发展的计算机技术引进模压全息工业的杰作，制作三维物体以及二维、三维物体混合的模压光栅全息图，将成为全息工作者要解决的问题。
4. 纳米级精度光学全息原件的研究。这是个学科交叉的课题，需要有相关技术与全息技术相结合才能完成。
5. 寻找制作全息电影和全息电视的捷径途径，使之实用化将是全息工作者追求
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的目标。可以相信，随着全息技术的快速发展，它必然会愈来愈多的应用于现代的生活中。
6. 研制性能更好的光全息存储器与已经成熟的磁性存储技术和光盘存储技术相比，全息存储有以下特点优点：高冗余度、高存储容量、高的数据传输速率和很快的存取时间即可进行并行内容寻址等。
7. 发展激光防伪包装印刷。这一新技术，在包装、印刷和防伪行业有巨大的发展空间。
以上设想并非空想，从长远来看，全息技术今后所带来的技术发展与应用是无法估量的。
1.2 计算全息术
1.2.1 计算全息术概述
计算全息术(CGH)一开始就是作为光学全息的一个独立分支而发展起来的。这主要是因为：在计算全息图的制作过程中几乎没有传统的光学处理过程，全息图是由计算机计算、编码、控制图形设备绘制出来的。
正是这种由计算机综合的技术给全息图的制作带来较大的灵活性，并能再现任意形式的波前。当然，也由此引入了一些全新的概念。最早报道应用数字计算机综合制作全息图的是柯兹玛和凯里(A.Kozma and DL.Kelly)，他们的主要目的是研究复数空间滤波器。之后，罗曼(A.W.Lohman)[2]引入了通信领域的抽样定理，并提出迂回相位效应。
至此才为计算全息术的确立奠定了理论基础：前者保证了我们用离散的数学公式描述复振幅的完整性，后者证明了我们编码绘制全息图的正确性。巴里司(D.P.Paris)于1967年将FFT算法引入到傅立叶变换计算全息图的制作中，大大缩短了计算时间，从而进一步推动了该技术的发展。 1.2.2 当前计算全息技术的主要研究方向
计算全息术从发展到今天，已经存在几十年的历史了。但由于比较昂贵的计算费用，该技术的发展受到了相当的限制。但是，80年代以后，随着数学计算机技术的迅猛发展和完善，为我们提供了更加强大的计算和控制能力。目前市场上主流的 PC 机就可以足够提供以往相当于中型计算机的计算能力，这样就使以前昂贵的数字计算费用大幅度下降，使各种相关实验可以方便顺利的进行。这为计算全息术在光学信息处理领域的应用奠定了坚实基础。实际上，在各类现代光学系统的制作过程中，计算全息术已经被广泛应用。
当前，计算全息术的研究方向主要有以下几个方面： 1. 寻找新的编码方式，来记录全息面术上的复振幅分布。
2. 探索新的应用领域，充分发挥计算全息图能再现任意波前的特点，以及其在
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空间滤波技术中不可替代的优势。
3. 进一步研究数字量化噪声问题，以便于获得高质量的计算全息图。应该提出的是：编码问题是该技术的核心，新的编码技术必将从根本上推动计算全息的发展，应用领域自然也会因此而更为广泛。
1.3 数字图像加密方法
众所周知，人们对物体的三维立体视觉是由双眼视差产生的，一切能使人眼产生双眼视差的光学装置或结构就能产生三维立体视觉。自出现三维立体显示技术以来，三维立体显示方法和技术已越来越丰富多彩，现在常见的立体显示光学装置有红绿眼镜、正交偏振片眼镜、利用全反射原理的柱面光栅、专用光学立体图像观察装置以及最近出现的层析复合图像立体显示器等等。其他实现立体显示的技术还有由快速电子快门实现左右眼图像分离的屏幕立体显示、人眼光轴调节实现双眼视差的计算机设计立体图片等等。在诸多的三维显示技术中，全息技术的立体显示更显特别，它在全息记录材料上记录的是物光波的振幅和位相信息，全息图再现的是物光波，不是一对或几对立体图像。此外，用全息方法也可实现体视三维图像显示，它的特点是观察时无须其他光学器件辅助。
近年来，用光信息处理技术来进行数据加密和保障数据安全引起了相当的关注。Pefregier和Javidi最早发表了这个领域的研究论文。由于光学信息处理系统的高度并行性和超快处理速度，光学安全(optical security)技术对信息安全技术的发展具有重要的理论意义和应用前景。光学加密技术提供了一个更加复杂的环境，并且和数字电子系统相比，他对于攻击更有抵抗力。另外，由于傅里叶光学信息处理系统具有读写复振幅的能力，而该复振幅信息由于其相位部分在普通光源下是无法看到的，故不能用仅对光强敏感的探测器，如CCD摄像机、显微镜等，进行读和写。因此利用光学信息处理对光学图像进行安全加密是一种行之有效的方法。
1995年，Refregier等提出了双随机相位编码方法，这种方法具有较好的安全性和鲁棒性。从此光学加密技术进入快速发展时期。研究人员随后提出了基于分数傅里叶变换的加密方法、基于菲涅耳变换的加密方法、基于联合变换相关器的加密系统、利用离轴数字全息的加密系统和利用相移干涉技术的加密系统等大量新的或改进的加密系统，使得光学加密领域的研究异彩纷呈。虽然目前光学加密技术的发展方兴未艾，但其前景不可估量。总的来说，与电子手段相比，现有的光学加密系统还存在一些缺点：可实施性、灵活性与稳定性都有待提高。
1.4 计算全息在图像加密中的应用
现在计算机和数字化电器件技术的迅速发展，人们广泛地实用数字技术去模拟、运算、处理各种光学过程。1965年，德国光学专家(A.W.Lohmann)使用计算机和绘
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图仪制作了世界上第一幅计算机全息图(computer-generated hologram,CGH)，它不仅可以完整的记录光波的振幅和相位，而且能综合复杂的波面，这种特性极大的扩展了计算全息图的应用范围，可以用来制作信息处理中的空间滤波器，或生成特殊参考光波面以便于用于光学波面或者光学原件的检测，或作用于特殊的波面变换原件以实现光学中广义变换运算，还可以用于全息三维虚拟显示。计算全息最有意义的是它把计算机首次引进了光学处理领域，很多光学现象都是可以应用计算机进行仿真处理，而计算全息图则是数字信号和光学信号间有效的联系环节。数字计算机可以看作广义的“光学原件”，它开拓了光学过程中的计算机处理，为后来的光学数据处理领域中广泛应用光学、电子学、数字计算机相结合的局面拉开了序幕。
当然，计算全息技术正处于发展之中，和光学全息图相比它也存在很多不足之处，像经费高，而且不论数字全息还是计算全息都没有完成完全数字化的光学全息，制作一张空间带宽积很大的计算全息图是很困难也很费时间的，这就让全息图在我们的实用中很受限制。本论文首先介绍了全息术的基本理论，分别对菲涅耳全息图和傅里叶变换全息图的记录和再现进行了模拟，与实际实验相比较，模拟实验参数可调，现象明显、直观。
1.5 本文研究内容及章节安排
采用计算全息技术进行图像数据加密和信息隐藏是目前信息安全领域研究的热点。具有多维、大容量、高稳健性的优势。论文选题结合实际应用，重点研究全息术在图像加密中的应用。
第一章，简要介绍全息术的相关知识，讨论当前国内和国际对全息术在图像加密中的应用的研究现状和最新研究成果，并介绍关于图像加密的基本理论知识。
第二章，全息技术的理论依据，光学全息和计算全息的主要区别和实现原理，计算全息在图像加密方面的应用及发展。
第三章，图像加密中的水印技术，主要介绍图像加密的各种方法，重点介绍数字图像水印技术。
第四章，全息术在数字图像加密中的应用，主要研究全息术如何在数字图像中实现加密。
第五章，进行算法设计与仿真，并分析实验结果。 第六章，总结本文所做的工作。
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