한국광학회지

Optical Encryption using a Random Phase Image and Shift Position in Joint Transform Correlation Plane

Chang-Mok Shin

Published Mar 1, 2006• 0 citations

Abstract

본 논문에서는 결합 변환 상관 평면에 이동 변위에 따른 위상 성분의 영향을 또 다른 암호화 매개변수로 이용하여 무작위 위상 영상과 매개 변수 값을 암호화요소로 사용하는 광 암호화방법을 제안하였다. 암호화과정 시 사용자만이 알고 있는 이동 변위 수치를 원 영상에 더하여 위상 변조한 후, 위상 변조한 무작위 위상과 공간 영역에서 곱한다. 곱해진 영상을 푸리에 변환을 하여 최종 암호화 영상을 생성하며, 이 때 키 영상은 무작위 위상 영상을 푸리에 변환하여 얻는다. 생성된 암호화 영상은 원 영상을 재생 시키 영상과 이동 변위 수치 정보가 동시에 필요로 하며, 키 영상은 복소함수로 세기 검출기로 쉽게 복제가 힘들뿐만 아니라 설사 키 영상이 복제하거나 도난 또는 분실된 경우에도 불법 사용자는 이동 변위 정보를 획득해야만 원 영상 정보를 재생할 수 있으므로, 좀 더 높은 암호화 수준으로 원 영상 정보를 보호할 수 있다. 복호화 과정은 결합 변환 상관 평면에 암호화 영상과 키 영상을 암호화 시 사용한 이동 변위 값에 따라 위치시켜 간단히 구현할 수 있으며, 간섭계 구조나 4-f 상관기 구조를 이용하지 않으므로 광축 정렬이나 외부 환경 변화에 영향을 받지 않고 원 영상을 재생할 수 있다. Most optical security systems use a 4-f correlator, Mach-Zehnder interferometer, or a joint transform correlator(JTC). Of them, the JTC does not require an accurate optical alignment and has a good potential for real-time processing. In this paper, we propose an image encryption system using a position shift property of the JTC in the Fourier domain and a random phase image. Our encryption system uses two keys: one key is a random phase mask and the other key is a position shift factor. By using two keys, the proposed method can increase the security level of the encryption system. An encrypted image is produced by the Fourier transform for the multiplication image, which resulted from adding position shift functions to an original image, with a random phase mask. The random phase mask and position shift value are used as keys in decryption, simultaneously. For the decryption, both the encrypted image and the key image should be correctly located on the JTC. If the incorrect position shift value or the incorrect key image is used in decryption, the original information can not be obtained. To demonstrate the efficiency of the proposed system, computer simulation is performed. By analyzing the simulation results in the case of blocking of the encrypted image and affecting of the phase noise, we confirmed that the proposed method has a good tolerance to data loss. These results show that our system is very useful for the optical certification system.

DOI: 10.3807/kjop.2006.17.3.248

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Optical encryption system using phase-encoded virtual image

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본 논문에서는 위상 변조된 가상 영상과 간섭의 원리를 이용하여 영상의 암호화 및 복호화 수준을 향상시키는 방법을 제안하였다. 원 영상은 그레이 값을 가지는 가상 영상과 무작위 암호화 키, 그리고 복호화 키를 위상 변조하여 이들을 간섭계의 한 쪽 경로에 둠으로써 기준파와의 간섭에 의해서 간단히 복원될 수 있다. 제안한 암호화 과정은 원 영상의 어떤 정보도 포함하지 않은 위상 변조된 가상영상과 컴퓨터를 통해서 만들어진 무작위 영상(암호화 키)을 곱함으로써 암호화한다. 그러므로 허가되지 않은 사람들이 암호화키를 분석함으로써 있을 수 있는 복제 가능성을 배제하였다. 또한 그레이 영상을 암호화함으로써 이진 위상 암호화방법에 비해 암호화 수준이 높은 장점을 가진다. 컴퓨터 시뮬레이션과 광 실험을 통하여 제안한 방법이 광 암호화 시스템에 적합함을 확인하였다. In this paper, we propose an improved image encryption and decryption method using a phase-encoded virtual image and interference. An original image is simply decrypted by interfering a reference wave with the wave passing through a decrypting key and the encrypted image, where every image has grey level. The proposed encryption is performed by the multiplication of an encrypting key and a phase-encoded virtual image which dose not contain any information for the original image. Therefore even if unauthorized people analyze the encrypted image, they cannot reconstruct the original image. Also grey image encryption can improve the encryption level compared to binary image encryption. Computer simulation and optical experiments confirmed that the proposed technique is a simple for optical encryption.

한국광학회지Jun 1, 20030 citations

Optical encryption and decryption technique using virtual image in frequency domain

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본 논문에서는 위상 변조된 가상 영상과 결합변환상관기를 이용하여 암호화 및 복호화 수준을 향상시키는 방법을 제안하였다. 원 영상은 주파수 영역에서 가상 위상 영상과 무작위 위상 영상의 곱을 퓨리에 변환하여 만든 암호화 영상과 제안한 위상 대응 규칙으로 만든 퓨리에 복호화 키를 퓨리에 변환하여 출력 평면에서 간단히 복원된다. 제안한 방법은 암호화된 영상을 허가되지 않은 사람들이 분석함으로써 있을 수 있는 복제 가능성을 원 영상의 어떤 정보도 포함하지 않은 가상 영상을 사용함으로써 배제할 수 있다. 또한 위상 변조된 영상의 자기상관성분의 세기는 1이므로 원 영상은 이 자기상관성분을 이용하여 재생되므로 결합변환상관기의 가장 큰 문제점인 자기상관성분을 제거해야 하는 문제를 해결할 수 있다 하지만 위상 암호화방법은 잡음이나 흠집에 민감하여 복원영상의 왜곡이 발생할 수 있으므로 본 논문에서는 이 문제를 분석하고 해결책을 제시하였다. 검증 실험을 통하여 분석의 타당성을 확인하고 제안한 암호화 방법이 광 암호화 시스템에 적용 가능함을 확인하였다. In this paper, we propose an improved image encryption and decryption method using a virtual image and a joint transform correlator (JTC). The encrypted image is obtained by the Fourier transform of the product of a virtual-phase image and a random-phase image, and a Fourier transform of the decrypting key generated by the proposed phase assignment rule is used as the Fourier decrypting key. Based on the solution, the original image is reconstructed using JTC in the frequency-domain. The proposed method using a virtual image, which does not contain any information from the original image, prevents the possibility of counterfeiting by unauthorized people. And also the auto-correlation terms, which are the drawback of a JTC system, contribute to reconstructing the original image rather than to disturbing its identification. But because phase-only encryptions are sensitive to noise and scratches, phase errors can be generated in fabricating the encrypted image or the Fourier decrypting key so the errors that are responsible for degradation of the quality of the reconstructed image are analyzed and the solution is demonstrated. Computer simulations show the solution, and the proposed method is very useful for JTC architecture.

한국광학회지Jun 1, 20030 citations

Optical security scheme using phase-encoded XOR operations

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본 논문에서는 XOR 연산을 위상 변조하여 만든 위상 변조 XOR(phase-encoded exclusive-OR) 연산이라는 개념을 기본으로 그레이 영상을 암호화 한 새로운 광 암호화 방법을 제안하였다 그레이 원 영상을 이진 영상들의 합으로 분리한 후 각각의 이진 영상들을 이진 무작위 영상들과 위상변조 XOR 연산 방법을 이용해 암호화하고, 이를 위상 변조하여 암호화된 데이터를 만들었다. 그리고 복호화에 필요한 키 데이터는 암호화 시 사용한 무작위 이진 영상들로 만든 무작위 그레이 영상을 위상 변조하여 구하였다 암호화된 데이터는 위상 변조로 인한 비선형성과 비가시적 특성을 가지므로 기본적으로 높은 정보보호의 특성이 있으나, 여기에 위상정보 자체를 암호화함으로써 보다 높은 수준의 정보 보호를 가능하게 하였다. 또한, 복호화 과정은 암호화 데이터와 키 데이터의 단순 곱과 기준파와 간섭을 이용하므로, 원 영상 복원 시 간단한 위상 시각화 시스템(phase-visualization system)으로 구현할 수 있다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 제안한 방법의 구현 가능성과 타당성을 확인하였다. In this paper, we have proposed a full phase encryption scheme based on phase-encoded XOR operation. The proposed scheme encrypts a gray-level image by slicing an original image and combining with XORed images which resulted from phase-encoded XOR operations between sliced images and phase-encoded binary random images. Then we produce an encrypted image by combining only XORed images and a key image by only phase-encoded binary random images. The encrypted image and key image are converted into encrypted data and key data by a phase-encoding method. The merits are that the proposed encryption scheme can basically fulfill a high-level encryption using a full phase encryption scheme which has nonlinear and invisible characteristics. The scheme also improves security by encrypting the phase information before full phase encryption. The decryption system based on the principle of interference between a reference wave and a direct pixel-to-pixel mapping image of encrypted data with key data can be simply implemented using a phase-visualization system. Simulation results indicate that our proposed encryption scheme is effective and simple for a gray-scale image and optical decryption system.

한국광학회지Dec 1, 20030 citations

다중 위상 분할과 위상 랩핑 방법을 이용한 광 암호화 시스템

신창목, 김수중, 서동환

본 논문에서는 exclusive-OR 연산을 기반으로 암호화된 그레이 영상에 위상 랩핑(phase-wrapping)과 다중 위상 분할(multi-phase separation)방법을 적용하여 광학적 복호화가 용이하도록 한 광 암호화 시스템을 제안하였다. 암호화시 그레이 영상을 이진 영상들의 합으로 분리한 후 각각의 이진영상을 이진 무작위 영상과 변형된 XOR(modified XOR) 연산을 수행하고, 연산된 이진 영상들과 이진 무작위 영상들을 따로 결합한 후 이를 위상 부호화하여 암호화 영상과 키 영상을 만든다. 복호화시 암호화 영상과 키 영상의 위상 정보를 광소자로 구현할 경우 제어 가능한 위상 범위의 현실적 한계로 인해 그레이 정보 복원에 제약이 따른다. 따라서 위상 랩핑(phase-wrapping) 방법으로 암호화 영상과 키 영상의 위상 범위를 줄이고, 다중 위상 분할(multi-phase separation)로 이 영상들을 낮은 레벨의 위상영상들로 분할함으로써, 위상범위가 제한된 광소자로도 그레이 영상의 복호화가 가능하도록 하였다. 복호화는 암호화 영상과 키 영상의 곱을 기준파와 간섭시켜 간단히 구현하며, 컴퓨터 모의 실험을 이용해 제안한 방법의 타당성과 복호화시 위상 범위의 제한에 따른 영향을 분석하였다.

전자공학회논문지-SDJun 1, 20050 citations

Single Path Phase-only Security System using Phase-encoded XOR Operations in Fourier Plane

Chang-Mok Shin

본 논문에서는 원 영상을 푸리변환한 후 위상 변조 XOR 연산으로 암호함으로써 정보의 손실에 강하며 한 개의 광 경로만으로 간단히 복호화 할 수 있는 위상 암호화 시스템을 제안하였다. 영 삽입된(zero-padded) 원 영상에 무작위 위상 영상을 곱하여 푸리에 변환된 데이터 값을 키 데이터와 위상 변조 XOR 연산으로 암호화한다. 이렇게 생성된 암호화 데이터와 키 데이터를 최종적으로 위상 변조하여 위상 암호화 영상과 위상 키 영상을 만든다. 위상 변조된 암호화 영상과 키 영상은 비가시성과 비선형성으로 인해 높은 정보보호의 특성이 있으며 또한, 푸리에 영역의 암호화로 인해 절단에 의한 정보의 손실에도 영상을 복호화 할 수 있다. 복호화 과정은 암호화 영상과 키 영상의 단순곱을 푸리에 변환한 후 영차 성분(zero-order component)을 공간 필터링함으로써 간단히 구현할 수 있으며, 복호화 시스템은 2공구조의 단일 경로의 구조를 바탕으로 하므로 부피가 상대적으로 작을 뿐만 아니라 외부 충격이나 기온 변화와 같은 환경적인 영향을 받지 않고 복호화를 수행할 수 있다. 제안한 암호화 과정과 복호화 시스템의 구현 가능성 및 타당성을 컴퓨터 모의실험을 통해 확인하였다. Phase-only encryption scheme using exclusive-OR rules in Fourier plane and a single path decryption system are presented. A zero-padded original image, multiplied by a random phase image, is Fourier transformed and its real-valued data is encrypted with key data by using XOR rules. A decryption is simply performed based on 2-1 setup with spatial filter by Fourier transform for multiplying phase-only encrypted data by phase-only key data, which are obtained by phase-encoding process, and spatial filtering for zero-order elimination in inverse-Fourier plane. Since the encryption process is peformed in Fourier plane, proposed encryption scheme is more tolerant to loss of key information by scratching or cutting than previous XOR encryption method in space domain. Compare with previous phase-visualization systems, due to the simple architecture without a reference wave, our system is basically robust to mechanical vibrations and fluctuations. Numerical simulations have confirmed the proposed technique as high-level encryption and simple decryption architecture.

한국광학회지Aug 1, 20050 citations

Pairwise Key Agreement Protocols Using Randomness Re-use Technique

Ik-Rae Jeong, Donghoon Lee

이 논문에서 우리는 여러 사용자들이 동시에 세션키를 교환하는 키 교환 스킴에 대해서 연구한다. 이런 상황은 사용자들을 그래프 노드들로 표현하고 두 사용자간에 키를 만들어야 하는 상황을 에지로 표현하는 키 그래프에 의해서 묘사될 수 있다. 우리는 키 그래프에 있는 모든 에지들을 위한 세션키들을 하나의 세션에서 동시에 만드는 키 교환 스킴을 설계한다. 키 그래프를 위한 키 교환은 양자간 키 교환의 확장판이라고 할 수 있다. 우리는 양자간 키 교환 안전성 모델을 확장해서 키 그래프를 위한 키 교환 안전성 모델을 제안한다. 우리는 란수 직 산용 테크닉을 사용해서 두개의 키 그래프를 위한 키 교환 스킴을 설계하며 안전성을 증명한다. 우리가 제안하는 스킴들의 안전성은 decisional Diffie-Hellman 가정에 의존한다. 첫 번째 스킴은 일 라운드 키 교환 프로토콜이며 키 독립성을 보장한다. 두 번째 스킴은 일 라운드이며 전방위 안전성을 보장한다. 제안하는 두 가지 스킴들의 안전성은 모두 표준 모델에서 증명된다. 제안되는 프로토콜들은 최초의 다중 키 교환 프로토콜이며, 단순히 양자간 키 교환 프로토콜들을 반복 사용해서 키들을 만드는 것보다 훨씬 효율적이다. 예로서 한 사용자가 n명의 다른 사용자와 키를 만든다고 가정하자. 가장 단순한 프로토콜은 각각의 사용자들과의 키 교환을 위해서 양자간 키 교환을 사용하는 것으로서, 이 때는 계산량과 메시지 전송량이 n에 비례하게 된다. 제안되는 프로토콜들은 n개의 키를 만드는데 있어서 계산량은 n에 비례하나 전송되는 메시지의 양은 교환되는 키들의 수에 상관없이 일정하다. In the paper we study key agreement schemes when a party needs to establish a session key with each of several parties, thus having multiple session keys. This situation can be represented by a graph, tailed a key graph, where a vertex represents a party and an edge represents a relation between two parties sharing a session key. graphs to establish all session keys corresponding to all edges in a key graph simultaneously in a single session. A key agreement protocol of a key graph is a natural extension of a two-party key agreement protocol. We propose a new key exchange model for key graphs which is an extension of a two-party key exchange model. using the so-called randomness re-use technique which re-uses random values to make session keys for different sessions, we suggest two efficient key agreement protocols for key graphs based on the decisional Diffie-Hellman assumption, and prove their securities in the key exchange model of key graphs. Our first scheme requires only a single round and provides key independence. Our second scheme requires two rounds and provides forward secrecy. Both are proven secure In the standard model. The suggested protocols are the first pairwise key agreement protocols and more efficient than a simple scheme which uses a two-party key exchange for each necessary key. Suppose that a user makes a session key with n other users, respectively. The simple scheme's computational cost and the length of the transmitted messages are increased by a factor of n. The suggested protocols's computational cost also depends on n, but the length of the transmitted messages are constant.

The KIPS Transactions PartCDec 1, 20051 citation