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摘要： 单像素成像将目标信息通过空间光调制器进行调制，调制后的信息是原始目标信息的线性叠加，是原始目标信息的变形。最终利用线性叠加后的信息对原始目标进行重构。如果将单像素成像中重构所需的一些信息作为密钥，单像素成像就可以作为加密系统。同时单像素成像可以对目标进行并行采样，加密速度会比较快。由于单像素成像加密的这些优势，单像素成像加密方法得到众多学者的关注。这些年来单像素加密发展速度较快，取得了很多成果。本文就针对单像素加密的发展历程和研究现状进行总结分析。
关键词： 单像素成像；加密；图像重构；安全性
1 引 言
信息安全目前已成为整个社会和各个国家高度重视的问题。我们国家也从中央层面成立了中央国家安全委员会，每个省市也都成立了相应的国家安全委员会。中央国家安全委员会由习近平总书记担任主任，可见该委员会的级别之高，也表明了中央对安全的高度重视。信息安全作为安全领域重要分支，特别是互联网高速发展的时代，信息安全与每个人的生活息息相关，每时每刻都与信息安全打交道，每时每刻都受到安全的保护，但是也会受到攻击和窃取。信息安全不仅仅与个人相关，也与社会稳定和国家安全密切相关。信息安全再怎么强调都不过分，没有安全其他都免谈。如何保证信息安全是科技领域的研究重点和热点。
信息传输阶段是最容易受到攻击和窃听的。所以，信息传输阶段的信息安全显得尤为重要。在本文中，我们主要讨论图像的安全。在图像传输阶段，攻击者攻击的主要目的是窃取图像信息或者对目标信息进行篡改。为了防止攻击者对目标信息进行篡改或者在篡改之后能够对其进行检测，目前有主动取证和被动取证等安全技术。而为了防止攻击者对图像信息进行窃听，我们一般要对目标图像信息进行加密之后进行传输。这样攻击者看到信息之后也只是看到了一堆加密后的随机序列，攻击者也就不知道我们传输的具体信息。这就是安全的所在。而图像加密技术是目前防止图像被窃听的主要手段。加密技术的性能也直接影响了安全的性能。加密技术的主要指标包括以下几个方面。（1） 加密技术的第一个指标就是安全，能够抵抗攻击者的窃听操作。随着计算机技术的快速发展，攻击者也发明了很多攻击手段来破解发送者的加密技术。这就牵涉到攻与防的问题。既然攻击者有手段对加密技术进行破解，我们的加密技术就要能够抵抗这些破解攻击才算是有效的。学者们也是呕心沥血从多个角度去提高加密技术的安全性。（2）解密性能要好。加密技术要保证图像信息的安全性，但是也必须保证接受者能够解密出原始图像信息。如果接受者不能正确的解密出原始目标信息，那么安全传输的目的也就无从可谈了。（3）加密和解密速度越高越好。加密技术还牵涉到时效性问题。如果加密或者解密方法消耗时间过长，不利于加密技术饿进一步推广应用。特别是时效性要求比较高的环境，像实时成像，要求加解密算法要非常快，能够满足实时性的要求。（4）密钥数据量少，密钥空间大。加密系统的信息传输包括两个方面，一是公开信道。而是私密信道。公开信道传输加密后的密文信息，这些密文信息是公开的，不怕被攻击者所截获。而私密通道就是要传输密钥等私密性信息。私密信道传输的信息越少，越不容易受到攻击者的怀疑，也就越安全。所以密钥信息要越少越好。加密系统的攻击的最基本的方法是遍历攻击，就是把所有的可能情况都遍历一遍以找到可能的密钥。为了抵抗遍历攻击，密钥空间要越大越好，这样才不容易被破解，安全性也就越高[1]。
这就是加密技术的几个主要指标，满足了这些指标要求，相应的加密技术才算是合格的。针对加密技术的这些要求，单像素成像加密技术也从这几个方面进行了深入研究，取得了不错的成果。单像素成像系统既可以用于单纯的图像加密技术，这是利用了单像素成像的加密速度快的优点，也可以用于成像和加密两个方面，同时实现两个功能。这对加密技术的要求更高。本文就从加密技术的技术指标入手，分析总结目前单像素成像机密技术的发展历程和现状，总结现有单像素加密技术的主要特点，以及常用的加密方法，分析不同流派的做法。接着，在总结分析的基础上，我们分析了现有单像素加密技术存在的问题，及引起这些问题的原因。最终，我们给出单像素成像加密技术下一步的研究重点和计划，为单像素加密技术的进一步发展提供支持。
2 单像素成像加密技术的发展历程和研究现状分析
单像素成像加密的基础来源于光学加密。传统的加密技术都是在计算机上面進行。图像信息获取之后进行安全的网络传输。为了提高安全性，发送者就先在计算机上对图像信息进行加密，将加密之后的密文信息通过公开信道传送给接受者，同时把密钥等信息通过安全的信道发送给接受者。学者们研究了很多方法对图像信息进行加密，例如猫脸变换置乱方法，混沌系统加密，logistic映射加密方法。很多方法是对图像信息进行随机置乱，随机性越好，安全性越高。但是这类方法的缺点是加密速度较慢，特别是对于分辨率比较大的图像，加密算法和解密算法的计算速度很慢，甚至达到好几个小时。时间消耗多，不利于加密系统的推广很不利。发送方急着要把信息发送出去，接受者急着将信息解密得到正确的信息。如果速度较慢可能会耽误信息传输的效率，那么网络的便捷性和高效性也就无法体现。这些加密技术的缺点主要来源于加密技术牵涉的运算比较多，无法进行快速运算。
另一方面，学者们发现光学成像系统是直接对二维图像信息进行调制，是并行的方式。将其用于加密肯定速度比较快。所以，学者们开始研究基于光学成像系统的加密技术。学者们提出了双随机编码技术对图像进行两次随机编码，得到的信息就是随机信息，完成了加密。双随机编码加密技术安全性较好，提高了加密技术的安全性。在传统光学加密技术的基础上，学者们就研究基于单像素成像的加密技术。传统光学加密技术还是保留了原始图像中的二维信息，而单像素成像技术只一次得到一个测量值，将二位信息转换为一维信息，降低了维度，减少了数据量。并且去除了原始图像信息中的二维空间相关性，进一步提高了安全性。因此，单像素成像加密技术得到了众学者的关注[2]。 现有单像素加密技术可以分为两类。一类是只是利用单像素成像系统对原始图像信息进行加密。这类方法将数字图像转换为二值或者稀疏信息，并将其加载到空间光调制器中，利用单像素探测器得到单像素测量值。这些方法一般利用双空间光调制器，第一个调制器作为密钥将光源信息进行随机调制。经过密钥调制后的光束经过第二个空间光调制器利用图像信息进行在此调制，单像素探测值就包含了随机调制的信息和图像信息。接受者利用密钥得到随机调制信息，再根据单像素探测值进行解密，重构出原始数字图像信息。这些系统为了进一步提高安全性，会选择对原始图像信息首先进行简单的加密。在不影响加密速度的前提下，提高安全性。
第二类是单像素成像加密技术，该技术是对实际目标物体图像信息进行加密。在加密的同时也能实现成像。现有算法还可以实现多目标同时加密、成像和融合。单像素成像加密技术首先引入了双随机编码加密技术，来提高安全性。但是这种方法的传输数据量较大，占用的带宽较多，影响安全性。接着学者们就利用随机光调制的方法进行加密。一部分方法将测量矩阵进行置乱和加密以提高安全性。这些方法主要包括将成像系统加载的随机测量矩阵的顺序进行置乱，打乱测量矩阵与测量值之间的一一对应关系来提高安全性。现有方法还通过多路复用技术对多个目标进行加密和成像，最终只得到与一个目标图像数据量相等的密文信息，大大降低了数据传输量。学者们还通过对测量值信息进行再次加密的方法抵抗选择明文的攻击，以提高安全性。
单像素成像加密虽然取得了很多成果，性能得到了大大的提高，但是还存在一定的问题。现有单像素加密技术的数据传输量比较大，特别是私密通道的传输量。这是因为很多单像素成像加密方法都要把所有的测量矩阵传输给接受者。虽然避免了再次生成测量矩阵的过程，但是大大增加了安全风险，也增加了传输系统的负担。现有方法大多数只是进行实验分析和验证，从理论分析的较少。并且很多算法存在安全性，无法抵抗攻击。最后，现有研究对攻击方法的研究欠缺。只有更好的攻击方法才会促进加密方法的提升。
3 结语
本文从网络安全入手，将光学加密作为切入点，以提高安全性和成像性能为目标，分析了现有单像素成像加密技术的相关内容和发展现状，总结了目前的主流方法，分析了存在的主要问题，并在最后给出了下一步研究的重点。
参考文献：
[1] X. Peng， P. Zhang， H. Wei， B. Yu， Known-plaintext attack on optical encryption based on double random phase keys， Opt. Lett. 31 （8） （2016） 1044–1046.
[2] S. Zhao， L. Wang， W. Liang， W. Cheng， L. Gong， High performance optical encryption based on computational ghost imaging with QR code and compressive sensing technique， Opt. Commun. 353 （2015） 90–95.
作者簡介：王倩（1986-），女，乐山职业技术学院助教，硕士，压缩成像、智能交通.
关键词： 单像素成像；加密；图像重构；安全性
1 引 言
信息安全目前已成为整个社会和各个国家高度重视的问题。我们国家也从中央层面成立了中央国家安全委员会，每个省市也都成立了相应的国家安全委员会。中央国家安全委员会由习近平总书记担任主任，可见该委员会的级别之高，也表明了中央对安全的高度重视。信息安全作为安全领域重要分支，特别是互联网高速发展的时代，信息安全与每个人的生活息息相关，每时每刻都与信息安全打交道，每时每刻都受到安全的保护，但是也会受到攻击和窃取。信息安全不仅仅与个人相关，也与社会稳定和国家安全密切相关。信息安全再怎么强调都不过分，没有安全其他都免谈。如何保证信息安全是科技领域的研究重点和热点。
信息传输阶段是最容易受到攻击和窃听的。所以，信息传输阶段的信息安全显得尤为重要。在本文中，我们主要讨论图像的安全。在图像传输阶段，攻击者攻击的主要目的是窃取图像信息或者对目标信息进行篡改。为了防止攻击者对目标信息进行篡改或者在篡改之后能够对其进行检测，目前有主动取证和被动取证等安全技术。而为了防止攻击者对图像信息进行窃听，我们一般要对目标图像信息进行加密之后进行传输。这样攻击者看到信息之后也只是看到了一堆加密后的随机序列，攻击者也就不知道我们传输的具体信息。这就是安全的所在。而图像加密技术是目前防止图像被窃听的主要手段。加密技术的性能也直接影响了安全的性能。加密技术的主要指标包括以下几个方面。（1） 加密技术的第一个指标就是安全，能够抵抗攻击者的窃听操作。随着计算机技术的快速发展，攻击者也发明了很多攻击手段来破解发送者的加密技术。这就牵涉到攻与防的问题。既然攻击者有手段对加密技术进行破解，我们的加密技术就要能够抵抗这些破解攻击才算是有效的。学者们也是呕心沥血从多个角度去提高加密技术的安全性。（2）解密性能要好。加密技术要保证图像信息的安全性，但是也必须保证接受者能够解密出原始图像信息。如果接受者不能正确的解密出原始目标信息，那么安全传输的目的也就无从可谈了。（3）加密和解密速度越高越好。加密技术还牵涉到时效性问题。如果加密或者解密方法消耗时间过长，不利于加密技术饿进一步推广应用。特别是时效性要求比较高的环境，像实时成像，要求加解密算法要非常快，能够满足实时性的要求。（4）密钥数据量少，密钥空间大。加密系统的信息传输包括两个方面，一是公开信道。而是私密信道。公开信道传输加密后的密文信息，这些密文信息是公开的，不怕被攻击者所截获。而私密通道就是要传输密钥等私密性信息。私密信道传输的信息越少，越不容易受到攻击者的怀疑，也就越安全。所以密钥信息要越少越好。加密系统的攻击的最基本的方法是遍历攻击，就是把所有的可能情况都遍历一遍以找到可能的密钥。为了抵抗遍历攻击，密钥空间要越大越好，这样才不容易被破解，安全性也就越高[1]。
这就是加密技术的几个主要指标，满足了这些指标要求，相应的加密技术才算是合格的。针对加密技术的这些要求，单像素成像加密技术也从这几个方面进行了深入研究，取得了不错的成果。单像素成像系统既可以用于单纯的图像加密技术，这是利用了单像素成像的加密速度快的优点，也可以用于成像和加密两个方面，同时实现两个功能。这对加密技术的要求更高。本文就从加密技术的技术指标入手，分析总结目前单像素成像机密技术的发展历程和现状，总结现有单像素加密技术的主要特点，以及常用的加密方法，分析不同流派的做法。接着，在总结分析的基础上，我们分析了现有单像素加密技术存在的问题，及引起这些问题的原因。最终，我们给出单像素成像加密技术下一步的研究重点和计划，为单像素加密技术的进一步发展提供支持。
2 单像素成像加密技术的发展历程和研究现状分析
单像素成像加密的基础来源于光学加密。传统的加密技术都是在计算机上面進行。图像信息获取之后进行安全的网络传输。为了提高安全性，发送者就先在计算机上对图像信息进行加密，将加密之后的密文信息通过公开信道传送给接受者，同时把密钥等信息通过安全的信道发送给接受者。学者们研究了很多方法对图像信息进行加密，例如猫脸变换置乱方法，混沌系统加密，logistic映射加密方法。很多方法是对图像信息进行随机置乱，随机性越好，安全性越高。但是这类方法的缺点是加密速度较慢，特别是对于分辨率比较大的图像，加密算法和解密算法的计算速度很慢，甚至达到好几个小时。时间消耗多，不利于加密系统的推广很不利。发送方急着要把信息发送出去，接受者急着将信息解密得到正确的信息。如果速度较慢可能会耽误信息传输的效率，那么网络的便捷性和高效性也就无法体现。这些加密技术的缺点主要来源于加密技术牵涉的运算比较多，无法进行快速运算。
另一方面，学者们发现光学成像系统是直接对二维图像信息进行调制，是并行的方式。将其用于加密肯定速度比较快。所以，学者们开始研究基于光学成像系统的加密技术。学者们提出了双随机编码技术对图像进行两次随机编码，得到的信息就是随机信息，完成了加密。双随机编码加密技术安全性较好，提高了加密技术的安全性。在传统光学加密技术的基础上，学者们就研究基于单像素成像的加密技术。传统光学加密技术还是保留了原始图像中的二维信息，而单像素成像技术只一次得到一个测量值，将二位信息转换为一维信息，降低了维度，减少了数据量。并且去除了原始图像信息中的二维空间相关性，进一步提高了安全性。因此，单像素成像加密技术得到了众学者的关注[2]。 现有单像素加密技术可以分为两类。一类是只是利用单像素成像系统对原始图像信息进行加密。这类方法将数字图像转换为二值或者稀疏信息，并将其加载到空间光调制器中，利用单像素探测器得到单像素测量值。这些方法一般利用双空间光调制器，第一个调制器作为密钥将光源信息进行随机调制。经过密钥调制后的光束经过第二个空间光调制器利用图像信息进行在此调制，单像素探测值就包含了随机调制的信息和图像信息。接受者利用密钥得到随机调制信息，再根据单像素探测值进行解密，重构出原始数字图像信息。这些系统为了进一步提高安全性，会选择对原始图像信息首先进行简单的加密。在不影响加密速度的前提下，提高安全性。
第二类是单像素成像加密技术，该技术是对实际目标物体图像信息进行加密。在加密的同时也能实现成像。现有算法还可以实现多目标同时加密、成像和融合。单像素成像加密技术首先引入了双随机编码加密技术，来提高安全性。但是这种方法的传输数据量较大，占用的带宽较多，影响安全性。接着学者们就利用随机光调制的方法进行加密。一部分方法将测量矩阵进行置乱和加密以提高安全性。这些方法主要包括将成像系统加载的随机测量矩阵的顺序进行置乱，打乱测量矩阵与测量值之间的一一对应关系来提高安全性。现有方法还通过多路复用技术对多个目标进行加密和成像，最终只得到与一个目标图像数据量相等的密文信息，大大降低了数据传输量。学者们还通过对测量值信息进行再次加密的方法抵抗选择明文的攻击，以提高安全性。
单像素成像加密虽然取得了很多成果，性能得到了大大的提高，但是还存在一定的问题。现有单像素加密技术的数据传输量比较大，特别是私密通道的传输量。这是因为很多单像素成像加密方法都要把所有的测量矩阵传输给接受者。虽然避免了再次生成测量矩阵的过程，但是大大增加了安全风险，也增加了传输系统的负担。现有方法大多数只是进行实验分析和验证，从理论分析的较少。并且很多算法存在安全性，无法抵抗攻击。最后，现有研究对攻击方法的研究欠缺。只有更好的攻击方法才会促进加密方法的提升。
3 结语
本文从网络安全入手，将光学加密作为切入点，以提高安全性和成像性能为目标，分析了现有单像素成像加密技术的相关内容和发展现状，总结了目前的主流方法，分析了存在的主要问题，并在最后给出了下一步研究的重点。
参考文献：
[1] X. Peng， P. Zhang， H. Wei， B. Yu， Known-plaintext attack on optical encryption based on double random phase keys， Opt. Lett. 31 （8） （2016） 1044–1046.
[2] S. Zhao， L. Wang， W. Liang， W. Cheng， L. Gong， High performance optical encryption based on computational ghost imaging with QR code and compressive sensing technique， Opt. Commun. 353 （2015） 90–95.
作者簡介：王倩（1986-），女，乐山职业技术学院助教，硕士，压缩成像、智能交通.