Оптико-цифровые системы защищенной видеосвязи на базе дифракционного кодирования в пространственно-некогерентном свете

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 21-79-00117

НазваниеОптико-цифровые системы защищенной видеосвязи на базе дифракционного кодирования в пространственно-некогерентном свете

Руководитель Краснов Виталий Вячеславович, Кандидат физико-математических наук

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

Конкурс №60 - Конкурс 2021 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

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

Ключевые слова Оптическое кодирование, оптико-цифровые системы, кодирование видеопотока, пространственно-некогерентное освещение, пространственно-временные модуляторы света, синтезируемые дифракционные оптические элементы, преобразование волнового фронта, фотодетекторы.

Код ГРНТИ47.37.35

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на разработку и экспериментальное исследование оптико-цифровых систем защищенной видеосвязи на базе дифракционного кодирования в пространственно-некогерентном свете. Актуальность проблемы определяется существующим ростом требований к скорости работы и криптостойкости методов кодирования информации. С развитием вычислительных мощностей компьютерной техники и развитием квантовых вычислений, возрастают требования к защищенности информации. При этом современные объемы передачи данных требуют адекватного быстродействия кодирующей аппаратуры. Современные численные методы шифрования, реализуемые на базе электронной вычислительной аппаратуры, перестают с этим справляться. Большую часть передаваемых данных составляют видеопотоки (в том числе видеосвязь), которые зачастую также требуют адекватного шифрования. Существующие методы квантового шифрования, обладающие беспрецедентной криптостойкостью, на существующей элементной базе не обладают достаточной пропускной способностью для кодирования видеопотоков в режиме реального времени. Основное направление зарубежных исследований в этой области посвящено разработке систем амплитудно-фазового оптического кодирования с когерентным лазерным освещением, требующих регистрации как амплитудного, так и фазового распределений светового поля. Значительное количество публикаций последних лет посвящено оценкам криптографической стойкости оптических методов. Основные проблемы кодирования в когерентном свете – спекл-шум и необходимость регистрации фазы, что требует применения голографических методов регистрации. Все это приводит к крайне низкому отношению сигнал/шум в декодированных изображениях, что ограничивает перспективы применения подобных систем на практике. Более перспективным для практической реализации подходом является разработка средств оптического кодирования, предполагающих использование пространственно-некогерентного квазимонохроматического или даже полихроматического освещения, и возможность аппаратной реализации на основе серийно выпускаемых фото- и видеокамер. В качестве кодирующего элемента может быть использован модулятор света (ПВМС), на котором отображаются заранее рассчитанные кодирующие дифракционные оптические элементы. Применение ПВМС позволяет осуществлять смену кодирующих ключей в режиме реального времени, то есть обеспечивать кодирование каждого кадра видеопоследовательности своим индивидуальным ключом. Такой подход не имеет недостатков, присущих когерентным методам, однако, поскольку регистрируется только распределение интенсивности света (фазовая составляющая хаотично меняется), кодируемое распределение уже не является знакопеременным, 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». Так как 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 на соответствующих пространственных частотах. 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. Основным подходом в рамках проекта является применение совокупности передовых методов формирования волнового фронта и регистрации световых распределений, базирующихся, соответственно, на новейших и перспективных возможностях пространственно-временных модуляторов света и цифровых фотосенсоров. Большой упор при разработке методов и систем кодирования делается на кодирование цифровой информации, представленной, как правило, в бинарном виде. Тем не менее, несмотря на всю универсальность кодирования информации в цифровом виде, в некоторых областях предпочтительнее кодировать информацию именно в виде видеопотока. Во-первых, это видеосвязь – кодирование видеопотока непосредственно в процессе регистрации, или в виде видеосигнала предпочтительнее с точки зрения используемой полосы пропускания. Во-вторых, это передача текстовой информации на иероглифических языках – представление иероглифов в виде изображений целесообразнее ANSI кодировки ввиду огромного количества символов. Соответственно, разработка методов и систем кодирования видеопотоков в режиме реального времени представляется целесообразной.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Миниханов Т.З., Злоказов Е.Ю., Краснов В.В., Деревеницкая Д.Д. Измерение временной динамики модуляции фазы ЖК ПВМС HoloEye PLUTO 2 VIS-016 Сборник трудов XI Международной конференции по фотонике и информационной оптике, Москва, С. 613-614 (год публикации - 2022)

2. Овчинников А.С., Краснов В.В., Черёмхин П.А., Родин В.Г., Савченкова Е.А., Стариков Р.С., Евтихиев Н.Н. What Binarization Method Is the Best for Amplitude Inline Fresnel Holograms Synthesized for Divergent Beams Using the Direct Search with Random Trajectory Technique? Journal of Imaging, Vol. 9, No. 2, Pp. 28 (год публикации - 2023)
10.3390/jimaging9020028

3. Черёмхин П.А., Краснов В.В., Родин В.Г., Стариков Р.С. DMD-based optical pattern recognition using holograms generated with the Hartley transform Optics and Lasers in Engineering, Vol. 166, Pp. 107584 (год публикации - 2023)
10.1016/j.optlaseng.2023.107584

4. Краснов В.В., Рымов Д.А., Шифрина А.В. Моделирование процесса оптического кодирования видеопотоков в схеме с использованием двух пространственно-временных модуляторов света Сборник трудов XII Международной конференции по фотонике и информационной оптике, Москва, Сборник трудов XII Международной конференции по фотонике и информационной оптике, Москва, 2023, c. 639-640 (год публикации - 2023)

5. Рымов Д.А., Шифрина А.В., Черёмхин П.А., Родин В.Г., Краснов В.В. Голографическое кодирование цветного видеопотока формата 4K при помощи фазовых ЖК модуляторов света Измерительная техника (Measurement techniques) (год публикации - 2023)

6. Овчинников А.С., Краснов В.В., Черемхин П.А., Родин В.Г. Исследование методов бинаризации амплитудных осевых голограмм Френеля в расходящихся пучках Сборник трудов XII Международной конференции по фотонике и информационной оптике, Москва, Сборник трудов XII Международной конференции по фотонике и информационной оптике, Москва, 2023, c. 653-654. (год публикации - 2023)

7. Овчинников А.С., Краснов В.В., Курбатова Е.А. Исследование методов бинаризации амплитудных дифракционных оптических элементов без несущей пространственной частоты Сборник трудов XI Международной конференции по фотонике и информационной оптике, Москва, C.649-650 (год публикации - 2022)

8. Овчинников А.С., Краснов В.В., Савченкова Е.А. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕТОДОВ БИНАРИЗАЦИИ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К АМПЛИТУДНЫМ ДИФРАКЦИОННЫМ ОПТИЧЕСКИМ ЭЛЕМЕНТАМ БЕЗ НЕСУЩЕЙ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ЧАСТОТЫ Сборник трудов XXXII международной школы-симпозиума по голографии, когерентной оптике и фотонике, г. Санкт-Петербург, C.193-194 (год публикации - 2022)

Публикации