光学信息安全技术依托衍射、干涉以及偏振等物理光学性质,通过有目的地调制明文的光场振幅、相位或偏振态等信息的分布,实现对明文图像的加密。它具有高速编码能力,多加密维度等优点,是对现代密码学的有益补充,更是其不可分割的重要组成部分。本论文基于现有的光学密码学基础,例如双随机相位编码理论、两步相移干涉理论、计算鬼成像理论等,结合压缩感知技术、分级身份认证技术、级联干涉技术、奇异值分解技术等提出一系列新的有意义的光学图像加密方案,分别包括:(1)提出了一种基于两步相移干涉术、双随机相位编码和压缩感知理论的两级图像认证方案:加密时,首先,将认证图像编码至两幅干涉图中:然后,通过离散小波变换(DWT)、稀疏化处理、Arnold变换和数据压缩过程,生成两幅压缩信号,将其分发给认证系统的不同参与者。身份认证和解密时,只有拥有第一幅压缩信号的解密者能通过身份弱认证:首先,依托正交匹配追踪算法计算得到稀疏信号;然后,依次完成逆Arnold变换、逆DWT、两步相移干涉术的波前重建和逆菲涅尔衍射后,在重构的图像和标准图像的非线性相关系数分布的中心位置将出现一个显著峰值;最后,在身份弱认证成功通过后,进行明文图像解密,此时拥有第二幅压缩信号的另一位解密者将联合第一位解密者共同完成明文图像解密。(2)提出了一种基于两步相移干涉术和平滑压缩信号空间复用的多图加密方案:加密时:首先,四个索引矩阵分别记录四幅明文图像像素的原始空间位置;其次,对四幅明文图像的像素分别按大小进行升序排列;然后,对得到的四幅平滑图像依次进行五阶Haar小波变换、稀疏化处理、Arnold变换和数据压缩操作,随后,基于压缩感知和空间复用技术将四幅压缩后的图像组合成一幅图像;最后,将该组合图像置于两步相移干涉术加密系统的输入平面,得到两幅干涉图密文。收集所有正确的密钥和密文进行解密:依次完成两步相移干涉术波前重建、空间解复用、逆Arnold变换、逆DWT和像素重排步骤,可成功解密出所有明文图像。(3)提出一种基于级联干涉结构和矢量随机分解算法的分级多图加密方案:首先,根据平行四边形法则,提出非等模分解算法,结合矢量随机分解算法,以数值计算的方式,将经随机相位调制的第K级明文图像分解成第K级单位强度的纯相位掩模密钥和第K-1级复振幅场——光强等于第K-1级明文图像像素值;然后,将第K-1级复振幅场视为和矢量,重复上述步骤,分解至第K-1级单位强度的纯相位掩模密钥和第K-2级复振幅场——光强等于第K-2级明文图像像素值;继续重复上述步骤,直至将第一级复振幅场视为和矢量,分解至两个单位强度的纯相位掩模板中:一个是第一级密钥,另一个是该加密系统的密文。解密时:不同身份等级的解密者应首先收集到对应层级的所有相位密钥,然后将相位密钥按正确的级联顺序置于不同的菲涅尔衍射距离处,最后,解密出的明文图像用电荷耦合元件(CCD)记录。该方案的加密过程通过数值计算的方式实现,解密过程可通过光学或者数值计算的方式完成。(4)提出一种基于奇异值分解鬼成像(SVDGI)的光学图像加密方案:首先,利用奇异值分解(SVD)变换,将随机矩阵的奇异值置1.0,经逆SVD变换构造出新的具有部分正交性的测量矩阵作为密钥;其次,利用该密钥对明文图像完成测量加密,密文为被桶探测器收集到的没有空间分辨率的光强序列;然后,密钥被加密者与解密者双方秘密共享,密文则在公共信道中传输;最后,欲获取明文图像的解密者,根据SVDGI解密重构算法:一步矩阵乘法运算,便可快速完成解密。因为共享的矩阵密钥未与明文图像发生过作用,与明文图像发生过作用的密文却没有空间分辨率,仅为一维光强序列,因此仅有密文或密钥的二者其一均无法解密,这保证了密码系统的安全性。就解密明文的保真度、解密速度、系统鲁棒性三方面,将SVDGI与传统计算鬼成像、差分鬼成像和伪逆鬼成像分别比较,比较结果显示,所提方案具有显著优势。