Оптико-цифровые дифракционные системы асимметричного кодирования двоичных данных

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-19-00498

НазваниеОптико-цифровые дифракционные системы асимметричного кодирования двоичных данных

Руководитель Евтихиев Николай Николаевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" , г Москва

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-708 - Лазерно-информационные технологии

Ключевые слова Оптическое кодирование, кодирование цифровой информации, оптико-цифровые системы, пространственно-некогерентное излучение, пространственно-временные модуляторы света, синтезируемые дифракционные оптические элементы, фотодетекторы.

Код ГРНТИ50.37.23, 29.33.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В течение последних двадцати лет наблюдается постоянный и значительный рост числа исследований, посвященных использованию оптических методов кодирования информации. Оптические методы кодирования позволяют достичь высокого быстродействия, определяемого высокой частотой светового излучения, и большой длины кодирующих ключей, обусловленной возможностью пространственной модуляции светового излучения. В сочетании с цифровой техникой, отличительными чертами которой являются многообразие и гибкость алгоритмов декодирования, хранения и передачи, это позволит создавать надёжные быстродействующие оптико-цифровые кодирующие системы. Большинство существующих оптических методов кодирования изображений основано на операции свёртки кодируемого изображения с функцией рассеяния точки (ФРТ) кодирующего дифракционного оптического элемента (ДОЭ), который может представлять собой как случайную фазовую пластинку (матовый рассеиватель), так и специально синтезированный ДОЭ с заранее детерминированной ФРТ, которая играет роль ключа кодирования в системе. Основное направление зарубежных исследований посвящено разработке систем фазового оптического кодирования информации с когерентным лазерным освещением и необходимостью регистрации как амплитудного, так и фазового распределений светового поля. Например: кодирование мультиплицированных изображений двумя случайными фазовыми масками с компрессионным считыванием (B. Deepan и др. National University of Singapore 2014г.), аутентификация объектов методом кодирования со счетом фотонов (A. Markman и др. University of Connecticut, США, 2014г.), оптическое кодирование в продольной области фокусированных полей (А. Carnicer и др. Испания, США, 2016), оптическое кодирование мультиплицированных изображений с использованием трехмерного пространства (W. Chen, Hong Kong Polytechnic University, 2016), оптическая аутентификация посредством цифровой голографии с использованием одноразовых паролей (S.K. Gil и др., Южная Корея, 2016), оптическое кодирование пары изображений с использованием случайной фазы во фрактальном Фурье домене и метода фазовых шагов (S. K. Rajput and N. K. Nishchal, Индия, Япония, 2017), фрактальное оптическое кодирование с использованием контейнеров данных, устойчивых к шуму (A. Jaramillo. и др., Аргентина, Колумбия, 2018). Значительное количество публикаций последних лет посвящено оценкам криптографической стойкости оптических методов. Более перспективным для практической реализации подходом является разработка средств оптического кодирования, предполагающих использование пространственно-некогерентного квазимонохроматического освещения и возможность аппаратной реализации на основе серийно выпускаемых фото- и видеокамер. В качестве кодирующего элемента может быть использован пространственно-временной модулятор света (ПВМС), на котором отображаются заранее рассчитанные кодирующие ДОЭ. Применение ПВМС позволяет осуществлять смену кодирующих ключей в режиме реального времени. Такой подход не имеет недостатков, присущих когерентным методам, однако, поскольку используется только распределение интенсивности света, среднее значение кодируемого изображения оказывается всегда выше нуля, что приводит к интенсивному пику на нулевой пространственной частоте в спектре изображения. Таким образом, в случае пространственно-некогерентного освещения, спектр изображения, также как и спектр кодирующего ключа, в принципе не может быть «белым». Если кодирование основано на операции свертки, независимо от того, когерентный свет используется или нет, распределение амплитуды фурье-спектра кодирующего ключа должно перекрывать распределение амплитуды фурье-спектра кодируемого изображения, в противном случае неизбежна потеря информации. Для обеспечения правильного декодирования каждой пространственной частоты, спектр ключа не должен иметь значений ниже уровня шума. Кроме того, средние энергии изображения и ключа определяют высоту пиков нулевой частоты. Так как кодированное изображение содержит шум, отношение средней энергии его спектра к средней энергии шума определяет отношение сигнал/шум декодированного изображения. Поэтому отношения амплитуды пика на нулевой частоте к средней амплитуде спектра ключа кодирования и кодируемого изображения определяют качество декодированных изображений. Соответственно, чем меньше ненулевых отсчетов содержится в кодируемой сцене и кодирующем ключе, тем выше будет отношение сигнал/шум в ненулевых отсчетах декодированных изображений. Для снижения влияния деталей сцены кодирования на отношение сигнал/шум в декодированном изображении возможно применение амплитудных масок, накладываемых на кодируемую сцену. Это позволяет перераспределить энергию изображения более равномерно по всем пространственным частотам, приблизив тем самым спектр изображения к белому. Разработка методов построения оптических систем асимметричного кодирования цифровой информации включает: отработку алгоритмов синтеза кодирующих ДОЭ, их отображение с использованием современных фазовых модуляторов света, применение методов точной и быстрой регистрации световых распределений, методов цифровой пост-обработки и декодирования.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Евтихиев Н.Н., Краснов В.В., Кузьмин И.Д., Молодцов Д.Ю., Родин В.Г., Стариков Р.С. Optical encryption of digital information in the scheme with spatially incoherent illumination based on micromirror light modulators Procedia Computer Science (год публикации - 2019)

2. Шифрина А.В., Евтихиев Н.Н., Краснов В.В. Метод асимметричного оптического кодирования изображений Сборник трудов международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики–2019», Санкт–Петербург, c.184-186 (год публикации - 2019)

3. Евтихиев Н.Н., Молодцов Д.Ю., Краснов В.В., Черёмхин П.А., Родин В.Г. Оптические системы с синтезом импульсного отклика для обработки информации в пространственно-некогерентном и немонохроматическом излучении Сборник трудов XVI Международной конференции «ГОЛОЭКСПО – 2019», п. Стрельна (г. Санкт-Петербург), С.80-83. (год публикации - 2019)

4. Краснов В.В., Рябцев И.П., Шифрина А.В. Безлинзовое оптическое кодирование изображений в пространственно-некогерентном свете Сборник трудов XVI Международной конференции «ГОЛОЭКСПО – 2019», п. Стрельна (г. Санкт-Петербург), С.312-315 (год публикации - 2019)

5. Черемхин П.А., Евтихиев Н.Н., Краснов В.В., Родин В.Г., Шифрина А.В., Стариков Р.С. Asymmetric image optical encryption under spatially incoherent illumination Laser Physics Letters (год публикации - 2020)

6. Евтихиев Н.Н., Краснов В.В., Кузьмин И.Д., Молодцов Д.Ю., Родин В.Г., Стариков Р.С., Черемхин П.А. QR-code optical encryption in the scheme with spatially incoherent illumination based on two micromirror light modulators Quantum Electronics, Vol. 50, No. 2, Pp. 195-196 (год публикации - 2020)
10.1070/QEL17139

7. Евтихиев Н.Н., Краснов В.В., Стариков Р.С., Шифрина А.В. Multi-Factor Model of an Optical Encryption System with Spatially Incoherent Illumination Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing, Vol. 56, No. 2, pp. 176–182 (год публикации - 2020)
10.3103/S8756699020020041

8. Евтихиев Н.Н., Краснов В.В., Молодцов Д.Ю., Родин В.Г., Стариков Р.С., Черемхин П.А. Application of a Digital Micromirror Device for Optical Encryption with Time Integration Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing, Vol. 56, No. 2, pp. 134–139 (год публикации - 2020)
10.3103/S8756699020020053

9. Евтихиев Н.Н., Злоказов Е.Ю., Краснов В.В., Родин В.Г., Стариков Р.С., Черемхин П.А. High-speed implementation of holographic and diffraction elements using digital micromirror devices Quantum Electronics, №7, Т. 50, С. 667-674 (год публикации - 2020)
10.1070/QEL17295

10. Краснов В.В., Рябцев И.П. Безлинзовая схема оптического кодирования изображений со светодиодным освещением IX МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ПО ФОТОНИКЕ И ИНФОРМАЦИОННОЙ ОПТИКЕ: Сборник научных трудов. М.: НИЯУ МИФИ, 2020., С.256-257 (год публикации - 2020)

11. Евтихиев Н.Н., Краснов В.В., Кузьмин И.Д., Молодцов Д.Ю., Стариков Р.С. Схема оптического кодирования с пространственно-некогерентным освещением на базе двух микрозеркальных модуляторов света IX МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ПО ФОТОНИКЕ И ИНФОРМАЦИОННОЙ ОПТИКЕ: Сборник научных трудов. М.: НИЯУ МИФИ, 2020., С.673-674 (год публикации - 2020)

12. Евтихиев Н.Н., Краснов В.В., Родин В.Г. Оптическое подавление спекл-шума для дифракционных элементов методом временного интегрирования разреженных изображений IX МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ПО ФОТОНИКЕ И ИНФОРМАЦИОННОЙ ОПТИКЕ: Сборник научных трудов. М.: НИЯУ МИФИ, 2020., С.683-684 (год публикации - 2020)

13. Черёмхин П.А., Евтихиев Н.Н., Краснов В.В., Рябцев И.П., Шифрина А.В., Стариков Р.С. New customizable digital data container for optical cryptosystems Journal of Optics, Vol. 23 (11), Pp. 115701 (год публикации - 2021)
10.1088/2040-8986/ac2166

14. Краснов В.В., Рябцев И.П., Шифрина А.В. Оптическое кодирование матричных контейнеров цифровых данных в пространственно-некогерентном свете Сборник трудов XVIII Международной конференции «ГОЛОЭКСПО – 2021», г. Геленджик, С.296-305. (год публикации - 2021)

15. Черёмхин П.А., Евтихиев Н.Н., Краснов В.В., Стариков Р.С., Злоказов Е.Ю. Iterative synthesis of binary inline Fresnel holograms for high-quality reconstruction in divergent beams with DMD Optics and Lasers in Engineering, Vol. 150, Pp. 106859 (год публикации - 2022)
10.1016/j.optlaseng.2021.106859

16. Евтихиев Н.Н., Краснов В.В., Рябцев И.П., Родин В.Г., Стариков Р.С., Черёмхин П.А. Measurement of modulation of the phase liquid-crystal light modulator Santec SLM-200 and analysis of its applicability for the reconstruction of images from diffraction elements Measurement techniques, Vol. 64, No. 5, Pp. 346-351 (год публикации - 2021)
10.1007/s11018-021-01940-2

17. Краснов В.В., Стариков Р.С., Злоказов Е.Ю. Метод формирования единственного сфокусированного порядка дифракции при помощи бинарных амплитудных дифракционных элементов без пространственной несущей Optics and Spectroscopy (Оптика и спектроскопия), T.129 (4), c.436-442 (год публикации - 2021)
10.21883/OS.2021.04.50771.292-20

18. Черёмхин П.А., Евтихиев Н.Н., Краснов В.В., Родин В.Г., Рябцев И.П., Шифрина А.В., Стариков Р.С. Lensless optical encryption with speckle-noise suppression and QR codes Applied Optics, Vol. 60, Issue 24, pp. 7336-7345 (год публикации - 2021)
10.1364/AO.430968

19. Евтихиев Н.Н., Краснов В.В., Рябцев И.П., Шифрина А.В. Оптическое кодирование новых универсальных матричных контейнеров цифровых данных в безлинзовой схеме с пространственно-некогерентным освещением Сборник трудов X Международной конференции по фотонике и информационной оптике, Москва, С.469-470 (год публикации - 2021)

20. Евтихиев Н.Н., Краснов В.В., Шифрина А.В. Универсальный матричный контейнер цифровых данных для систем оптической обработки информации Сборник трудов X Международной конференции по фотонике и информационной оптике, Москва, С.467-468 (год публикации - 2021)

Публикации