利用扭转向列型液晶显示器偏振编码方式实现 光学影像加/解密 Polarization-encoding for Optical Encryption Using Twisted Nematic Liquid Crystal Displays
郑超仁* Chau-Jern Cheng* 陈茂林 Mao-Ling Chen
国立台北科技大学光电工程系 摘要
本文提出一种偏振编码的光学加/解密方法, 并探讨以扭转向列型液晶显示器来实现这种 偏振编码方式的影像加密与解密.这系统的加密方式是采用双重互斥或闸(XOR)操作,针对二 元图像与随机偏振乱码进行加密动作.利用 Jones 矩阵法求出该系统的输入-输出偏振调制的 关系,并找出光学互斥或闸的偏振调制条件.实验系统则以二片扭转向列型液晶显示器在此 特定偏振调制下互相耦合以完成二元图像的加密与解密.内文中将提出理论与实验结果, 并讨 论之. 关键词(Keywords):偏振编码,加/解密,互斥或闸操作,液晶显示器. 投稿受理时间: 92 年 3 月 15 日 审查通过时间: 92 年 6 月 25 日
ABSTRACT
We present a polarization encoding technique for optical encryption by the use of twisted nematic liquid crystal displays. Two-dimentional exclusive OR (XOR) operation is performed to achieve encryption/decryption for binary image. The polarization characteristic is analyzed by Jones matrix method and is used to encode the binarized data in the XOR encryption scheme. Experimental demonstration is realized by two commercial twisted nematic liquid crystal displays with specific modulation of polarization. Both theoretical and experimental results are presented and discussed.
壹.简介
最近几年来,光学资讯处理技术已经逐渐 被应用在资讯保密与安全的架构上[1-5].运用 光的特性可将需要安全处理的资料做编码的 动 作 , 以 达 成 资 讯 的 加 / 解 密 (encryption /decryption) .由於一般的摄像机(CCD)只能侦 测到光的强度资讯,而无法直接感测到光的相 位资讯, 故相位编码(phase encoding)的方式 在 光 学 资 讯 安 全处理上已广泛被使用. Refregier 和 Javidi 所提出的双随机相位编码 方 式 (double random phase encoding technique)[3], 即是其中最早的光学相位加密 方法的代表作之一.在此方法中系采用光学 4-f 系统与两个随机相位乱码分别置於输入与 频谱平面上以实现资料的加密,并使得加密资 讯 形 同 一 种 定 态 白 色 杂 讯 (stationary white noise)般的复数形式讯号.一般而言,若无正 确的解码金钥(key) ,其加密资讯将无法被解 码而遭人破解.然而,相位编码方式的光学加 密虽然具有极高的资讯保密与防伪效能,但 是,在光学系统的实现上却是十分困难, 其 中的部份原因在於其复数型态加密资讯的侦 测与转换及相位资讯的超高敏感度.另一方 面,光的偏振(polarization) 特性亦曾被运用到 资讯的编码与加密应用[6-11], 例如:利用液 晶元件於互斥或闸(XOR)的逻辑运算与布林 代数[6] ,或提出以位元平面(bit-plane)转换方 式执行灰阶影像加密等[10].有人亦曾利用液 晶 空 间 光 调 制 器 (liquid crystal spatial light modulator, LC-SLM)去实现光学的二维偏振调 制 与 编 码 [9] . 铁 电 性 空 间 光 调 制 器
(ferroelectric SLM)也被用来实现光学偏振编 码与影像的加/解密[11]. 在本文章中,我们将提出一种偏振编码方 式的光学影像加/解系统,并使用商用的扭转 向 列 型 液 晶 显 示 器 (twisted nematic liquid crystal display, TN-LCD)来演示此一光学影像 加/解实验系统.在这系统中所采用的扭转向 列型液晶显示器分别经由适当的偏振调制以 代表二元状态的资料(binary data) ,而整个液晶 显示器面板即可表示一种二维图像.经由两面 板上像素(pixel)点对点互相耦合的结果可产生 偏振编码的效果.当输入影像与随机乱码分别 被载入液晶显示器面板中,由於此偏振的编码 效应将使得输入影像被调制成一个形同乱码 似地加密影像.解密动作则是将此加密影像与 随机乱码分别载入液晶显示器面板进行偏振 解码.若乱码金钥正确时,系统将能回复原始 影像.反之,若乱码金钥错误时,系统将因无 法正确解码而输出乱码影像.

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