Új hullámfront-modulációs módszerek az optikai adattitkosításban

Hasonló dokumentumok
Polarizációs holografikus adattároló rendszer kísérleti megvalósítása

Az adatbiztonság és az adatsűrűség növelésének lehetőségei holografikus adattároló rendszerekben

OPTOELEKTRONIKAI ESZKÖZÖK ÉS INFORMÁCIÓ-TECHNOLÓGIAI ALKALMAZÁSAIK. PhD tézisfüzet KÉSZÍTETTE: REMÉNYI JUDIT

Új hullámfront-modulációs módszerek az optikai adattitkosításban

VALÓS HULLÁMFRONT ELŐÁLLÍTÁSA A SZÁMÍTÓGÉPES ÉS A DIGITÁLIS HOLOGRÁFIÁBAN PhD tézisfüzet

Searching in an Unsorted Database

Fényszórási jelenségek modellezése és kísérleti vizsgálata optikai adattároló rendszerekben

Az adatbiztonság és az adatsűrűség növelésének lehetőségei holografikus adattároló rendszerekben. MTA Doktori értekezés. Koppa Pál

HULLÁMFRONTOK SZÁMÍTÓGÉPES KEZELÉSÉN ALAPULÓ ÚJ MEGOLDÁSOK A KOHERENS OPTIKAI MÉRÉSTECHNIKÁBAN. PhD tézisfüzet SÉFEL RICHÁRD

Digitális mérőműszerek. Kaltenecker Zsolt Hiradástechnikai Villamosmérnök Szinusz Hullám Bt.

The problem. Each unitary transform having eigenvector has eigenvalues in the form of. Phase ratio:

IBM Brings Quantum Computing to the Cloud

Informatikai eszközök fizikai alapjai Lovász Béla

Módszer köztes tárolókat nem tartalmazó szakaszos működésű rendszerek ütemezésére

Komplex hullámfront moduláció megvalósítása térbeli fénymodulátorral

2. Elméleti összefoglaló

TÉRBELI FÉNYELOSZLÁSOK LÉTREHOZÁSA

REGULARIZÁLT INVERZ KARAKTERISZTIKÁKKAL

Ahol a kvantum mechanika és az Internet találkozik

ICT ÉS BP RENDSZEREK HATÉKONY TELJESÍTMÉNY SZIMULÁCIÓJA DR. MUKA LÁSZLÓ

Laterális feloldás és képminőség javítása vonalpásztázó tomográfiás optikai mikroszkópban

STATISZTIKAI PROBLÉMÁK A

Elektronika Előadás. Modulátorok, demodulátorok, lock-in erősítők

DIGITÁLIS KOMMUNIKÁCIÓ Oktató áramkörök

HIGANYMENTES DBD FÉNYFORRÁSOK FEJLESZTÉSE. Beleznai Szabolcs. Témevezet : Dr. Richter Péter TÉZISFÜZET

OFDM technológia és néhány megvalósítás Alvarion berendezésekben

Optika gyakorlat 6. Interferencia. I = u 2 = u 1 + u I 2 cos( Φ)

Lőrincz Emőke publikációs és hivatkozási jegyzéke

Akusztikai tervezés a geometriai akusztika módszereivel

TÉMA ÉRTÉKELÉS TÁMOP-4.2.1/B-09/1/KMR (minden téma külön lapra) június május 31

Vezeték nélküli helyi hálózatok

Programozható optoelektronikus tömbprocesszorok (POAC) és alkalmazásaik

Optikai adattárolás ma és holnap(után)

OPTIKA STATISZTIKUS OPTIKA IDŐBELI KOHERENCIA. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Atomfizika Tanszék, dr. Erdei Gábor

KÉPALKOTÁSRA ALAPOZOTT RUHAIPARI

Híradástechikai jelfeldolgozás

Logisztikai szimulációs módszerek

Az Informatika Elméleti Alapjai

VI. Magyar Földrajzi Konferencia

Statisztika I. 8. előadás. Előadó: Dr. Ertsey Imre

Wavelet transzformáció

DETERMINATION OF SHEAR STRENGTH OF SOLID WASTES BASED ON CPT TEST RESULTS

Digitális modulációk vizsgálata WinIQSIM programmal

y ij = µ + α i + e ij

pacitási kihívások a mikrohullámú gerinc- és lhordó-hálózatokban nkó Krisztián

Közösség detektálás gráfokban

Kvantum infokommunikáció, a titkosítás új lehetőségei

II. rész: a rendszer felülvizsgálati stratégia kidolgozását támogató funkciói. Tóth László, Lenkeyné Biró Gyöngyvér, Kuczogi László

BAGME11NNF Munkavédelmi mérnökasszisztens Galla Jánosné, 2011.

Súlyozott automaták alkalmazása

Pontműveletek. Sergyán Szabolcs Óbudai Egyetem Neumann János Informatikai Kar február 20.

CÉLKOORDINÁTOROK alkalmazástechnikája CÉLKOORDINÁTOROK FELÉPÍTÉSI ELVE

FEGYVERNEKI SÁNDOR, Valószínűség-sZÁMÍTÁs És MATEMATIKAI

MÉRÉSI EREDMÉNYEK PONTOSSÁGA, A HIBASZÁMÍTÁS ELEMEI

Oszcillátor tervezés kétkapu leírófüggvényekkel

A mintavételezéses mérések alapjai

Optika és Relativitáselmélet II. BsC fizikus hallgatóknak

Kettőnél több csoport vizsgálata. Makara B. Gábor

Dekonvolúció a mikroszkópiában. Barna László MTA Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet Nikon-KOKI képalkotó Központ

Abszorpciós spektroszkópia

π π A vivőhullám jelalakja (2. ábra) A vivőhullám periódusideje T amplitudója A az impulzus szélessége szögfokban 2p. 2p [ ]

ANTAL Margit. Sapientia - Erdélyi Magyar Tudományegyetem. Jelfeldolgozás. ANTAL Margit. Adminisztratív. Bevezetés. Matematikai alapismeretek.

BME Mobil Innovációs Központ

Jelek és rendszerek 1. 10/9/2011 Dr. Buchman Attila Informatikai Rendszerek és Hálózatok Tanszék

Kvantum-hibajavítás I.

Kiválósági ösztöndíjjal támogatott kutatások az Építőmérnöki Karon c. előadóülés

Földi lézerszkennelés mérnökgeodéziai célú alkalmazása PhD értekezés tézisei

Kísérlettervezés alapfogalmak

Massive MiMo megvalósitása az 5G-ben Hte Rádiószakosztály Rendezvény kiss tamás tanácsadó Magyar Telekom

Objektív beszédminősítés

Mérési útmutató a Mobil infokommunikáció laboratórium 1. méréseihez

DIGITÁLIS KÉPANALÍZIS KÉSZÍTETTE: KISS ALEXANDRA ELÉRHETŐSÉG:

Informatika Rendszerek Alapjai

Alapvető Radar Mérések LeCroy oszcilloszkópokkal Radar impulzusok demodulálása és mérése

A mérések általános és alapvető metrológiai fogalmai és definíciói. Mérések, mérési eredmények, mérési bizonytalanság. mérés. mérési elv

Ph. D. értekezés tézisei

Új módszerek és eszközök infokommunikációs hálózatok forgalmának vizsgálatához

Transzformátor rezgés mérés. A BME Villamos Energetika Tanszéken

Zárójelentés a Folyadékkristályok és polimerek kölcsönhatása c. OTKA pályázathoz

Baranyáné Dr. Ganzler Katalin Osztályvezető

Optomechatronika I Antal Ákos

A számítógép egységei

Előadás célja: ERDAS IMAGINE történelem a Georgikon Karon. ERDAS IMAGINE alkalmazása Karunk oktatási feladataiban

Kabos: Statisztika II. t-próba 9.1. Ha ismert a doboz szórása de nem ismerjük a

TALAJVÍZSZINT ADATOK SPEKTRÁLIS FELDOLGOZÁSÁNAK EREDMÉNYEI

Data Security: Access Control

Monte Carlo módszerek a statisztikus fizikában. Az Ising modell. 8. előadás

Alkalmazás a makrókanónikus sokaságra: A fotongáz

Kvantitatív módszerek

Több valószínűségi változó együttes eloszlása, korreláció

Digitális mikrofluidika THz-es képalkotáshoz

Az emberi tényező vizsgálata az információbiztonság, a személyés vagyonvédelem, valamint az épületkiürítés területein

Rezisztens keményítők minősítése és termékekben (kenyér, száraztészta) való alkalmazhatóságának vizsgálata

Idő-frekvencia transzformációk waveletek

A mérés problémája a pedagógiában. Dr. Nyéki Lajos 2015

Összehasonlító elmozdulásmérés új lehetőségei a koherens optikai méréstechnikában

Elektromágneses hullámok - Interferencia

Előszó. International Young Physicists' Tournament (IYPT) Karcolt hologram #5 IYPT felirat karcolása D'Intino Eugenio

Digitális mérőműszerek

The nontrivial extraction of implicit, previously unknown, and potentially useful information from data.

Átírás:

Új hullámfront-modulációs módszerek az optikai adattitkosításban PhD Tézisfüzet Sarkadi Tamás Témavezető: Dr Koppa Pál Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Atomfizika Tanszék Budapest 2014-1 -

A kutatások előzménye Az informatika térhódítása miatt egyre nagyobb igény mutatkozik olyan eszközök iránt, melyek nagy számítási, adattárolási, vagy adattovábbítási kapacitással rendelkeznek. A növekvő adatforgalom miatt egyre nagyobb jelentőséggel bír az információ biztonsága is, melyet adattitkosítási eljárásokkal lehet biztosítani. Adatok továbbítására és tárolására széles körben alkalmaznak optikai elvű megoldásokat, így kézenfekvő, hogy a tárolt, vagy továbbított adatok titkosítására is optikai elveket használjunk. Ezzel nemcsak a titkosító rendszert lehet egyszerűsíteni, hanem adott esetben a titkosítás biztonságát is növelhetjük a hagyományos digitális titkosító eljárásokhoz képest. Doktori munkám során az optikai elvű titkosítás egy részterületével, a lapszervezésű holografikus adattárolókban alkalmazható Fourier optikai adattitkosító eljárásokkal kívánok foglalkozni [1]. Ezen rendszerekben a rögzíteni kívánt adatokat mátrix struktúrába rendezik, melyet adatlapnak nevezünk. Az adatlapot térbeli moduláció segítségével kódolják koherens fény hullámfrontjába, az információt tehát a hullámfront helytől függő fázis és amplitúdó viszonyai hordozzák. A modulált hullámfront optikai Fourier transzformáltját rögzítik hologram formájában. A lapszervezésű rendszer nagy előnye, hogy egy hologram rögzítésével vagy rekonstrukciójával egyidejűleg kezelhetjük az adatlap teljes tartalmát. A párhuzamosíthatóság nemcsak az adatok elérését, de azok gyors feldolgozását is lehetővé teszi. Olyan hasznos alkalmazások valósíthatóak meg optikai úton, mint a gyors tartalom szerinti keresés, valamint az adatok titkosítása és dekódolása. A lapszervezésű rendszerekben alkalmazott optikai adattitkosítás alapelve kihasználja, hogy az optikai Fourier transzformáció segítségével a hullámfrontba kódolt adatok delokalizálttá tehetők. A titkosítás lényege, hogy a Fourier transzformált adatlapot véletlenszerű fázismaszkkal moduláljuk. Az adatokat hordozó hullámfront így csak a titkosító fázismaszk ismeretében állítható vissza. A fázismaszkot tehát titkosító kulcsként használhatjuk fel. A Fourier optikai elven alapuló titkosítás széles körben kutatott terület, megvalósításával, továbbfejlesztésével több kutatócsoport is foglalkozik. A Budapesti Műszaki Egyetem Atomfizika Tanszékén 1998. óta folynak holografikus adattárolók fejlesztését célzó kutatások, melyek kézzelfogható eredménye egy holografikus memóriakártya író és olvasó demonstrátor készülék kifejlesztése volt [2]. Miután igazolódott, hogy a holografikus elv a gyakorlatban is alkalmas adatok rögzítésére, a kutatások egyik fő célja az lett, hogy holografikus úton nagy biztonságú adattárolás valósuljon meg Fourier optikai adattitkosító elv segítségével. A tanszéki kutatócsoport a hologram felvételkor használt referencia hullám véletlen fázis modulációját használta a rögzített adatok titkosítására [3]. Végeztek kutatásokat a titkosítási elv által nyújtott biztonság kvantitatív minősítésére is [4]. Célkitűzések Amikor csatlakoztam a BME Atomfizika Tanszéken folyó kutatásokhoz, célomul tűztem ki a holografikus elvű adattitkosítás nyitott kérdéseinek megválaszolását. Látható volt, hogy a fázismodulált referencia hullámokkal megvalósított Fourier optikai adattikosítás biztonsága erősen korlátozott, így szükség van a titkosítás hatékonyságának növelésére. Fontosnak tartottam, hogy a kifejlesztendő biztonságnövelő eljárások ne növeljék jelentősen az optikai rendszer komplexitását, hogy azok a már működő holografikus rendszerekbe könnyen integrálhatóak legyenek. - 2 -

További célom volt, hogy egy általánosan használható módszert dolgozzak ki a Fourier optikai adattitkosító rendszerek modellezésére, melyet a titkosító rendszer biztonságának objektív minősítésére lehet használni. Vizsgálati módszerek Kutatásaim során egyaránt alkalmaztam kísérleti módszereket és modellezési eljárásokat a Fourier optikai rendszerek vizsgálatára. Modellszámításokat két eltérő úton is végeztem. Az egyik modell numerikus módszereken, a másik statisztikus optikai elveken alapul. A Fourier optikai rendszerek szakirodalomból jól ismert numerikus modellezése [5] során a bemeneti hullámfrontot kellő sűrűséggel mintavételezzük, így a hullámot egy helytől függő komplex amplitúdókkal feltöltött mátrix reprezentálja. A hullám terjedése, valamint az áthaladása különféle optikai elemeken jól leírható Fresnel közelítésben a mátrixon alkalmazott transzformációk segítségével. A Fourier optikai adattitkosításban a bemeneti hullámfrontok, valamint a titkosítást megvalósító fázismaszkok véletlenszerű térbeli modulációval vannak ellátva. Ez jelentősen megnehezíti a rendszer vizsgálatát, hiszen csak nagy mennyiségű véletlenszerű modulációs mintázat numerikus modellezése útján kaphatunk információt a titkosító eljárás statisztikus viselkedéséről. A probléma megoldása érdekében dolgoztam ki a Fourier optikai titkosító rendszer statisztikus optikai modelljét, ahol a véletlenszerűen modulált hullámfrontok komplex amplitúdóit valószínűségi változókként értelmezzük. A bemeneti hullámfrontok, valamint a titkosító kulcsok várható értéke és szórása alapján következtethetünk a kimeneti jel intenzitás eloszlásának statisztikai paramétereire. Az adatátvitel, valamint a titkosítás hatékonysága ezáltal jól jellemezhető anélkül, hogy konkrét statisztikai minták elemzését végeztük volna el. A Fourier optikai adattitkosító eljárások megvalósíthatóságát kísérletileg is demonstráltam. Az optikai asztalon felépített kísérleti elrendezés segítségével méréseket végeztem, így validálni tudtam a rendszer leírására használt numerikus és a statisztikus optikai modelljeimet. A kísérletek segítségével győződtem meg arról, melyek azok a fontos effektusok, amelyek a gyakorlatban megvalósított Fourier optikai titkosító rendszerek működését döntően befolyásolják. Dolgozatomban azzal foglalkozom, hogyan lehet ezen effektusokat úgy befolyásolni, hogy azáltal a Fourier optikai adattitkosítás biztonsága növekedjen. Hivatkozások 1. Ph. Refrigier and B. Javidi, Optical image encryption based on input plane and Fourier plane random encoding, Optics Letters, 20, 767-769 (1995) 2. E. Lőrincz, F. Ujhelyi, P. Koppa, A. Kerekes, G. Szarvas, G. Erdei, J. Fodor, Sz. Mike, A. Sütő, P. Várhegyi, P.S. Ramanujam, S. Hvilsted, "Read/write demonstrator of rewritable holographic memory card system", WA 0005, poster presentation at Optical Data Storage Topical Meeting, 14-17 April 2001 in Santa Fe, New Mexico, USA, in Optical Data Storage 2001. Proc. of SPIE 4342, 566-573 (2002) 3. F. Ujhelyi, M. Lovász, Z. Göröcs, A. Sütő, P. Koppa, G. Erdei, E. Lőrincz, "Phase coded polarization holographic system demonstration", Holography 2005, International Conference on Holography, Varna, Bulgaria, 21-25 May 2005, Congress Center Frederic Joliot-Curie", Proc. of SPIE 6252, 209-213 (2006) - 3 -

4. T. Ujvári, P. Koppa, M. Lovász, P. Várhegyi, Sz. Sajti, E. Lőrincz, P. Richter, A secure data storage system based on phase-encoded thin polarization holograms, Journal of Optics A, 6, 401-411 (2004) 5. Várhegyi Péter, Új modellek és eszközök a holografikus adattároló rendszerek kutatásában, PhD értekezés, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem (2005) Új tudományos eredmények 1. Kidolgoztam a Fourier optikai adattitkosító rendszerek statisztikus optikai modelljét, mely segítségével konkrét bemeneti adatlapok sokaságának feldolgozása nélkül határozható meg a kimeneti adatok bithiba aránya a titkosító és kiolvasó Fourier kulcsok közti eltérés függvényében. Megmutattam, hogy a Fourier kulcsok ortogonalitását nemcsak a kulcsok közti eltérés, hanem a kiolvasott adatok helyreállítására szolgáló hibajavító kód is meghatározza. Két kulcsot ortogonálisnak tekintettem, ha az egyikkel titkosított, majd a másikkal kiolvasott adatokat a hibajavító kód olyan alacsony valószínűséggel képes helyreállítani, mint amilyen alacsony, felhasználó által definiált valószínűséggel következik be hibás adathelyreállítás a helyes kulccsal kiolvasott adatok esetén. Az ortogonalitási kritérium ismeretében meghatározható a kulcstér számossága és a titkosítás bináris kulcshossza. [S3,S6] 2. A Fourier optikai titkosító rendszerek statisztikus optikai modellje segítségével bebizonyítottam, majd kísérletileg is alátámasztottam, hogy amplitúdóban és fázisban modulált titkosító kulcsok segítségével a Fourier optikai titkosító rendszerek biztonsága javítható a csak fázisban modulált kulcsokkal működő titkosító rendszerekhez képest. Bebizonyítottam, hogy adott jel-zaj viszonyú rendszer esetén az amplitúdó kulcs kontrasztparaméterének és kitöltési tényezőjének optimális megválasztásával a titkosítás bináris kulcshossza maximálható. Megmutattam, hogy a jel-zaj viszony növelésével a fázisamplitúdó modulált Fourier kulcsokkal megvalósított titkosítással elérhető kulcshossz minden határon túl növekszik, ellentétben a csak fázisban modulált kulcsokkal, melyek használatával elérhető kulcshossz korlátos. [S3] 3. Javasoltam egy Fourier optikai adattitkosítókban és adattárolókban alkalmazható kódolási eljárást, melynek segítségével komplex modulációjú bemeneti adatlapok hozhatóak létre. A kódolni kívánt intenzitáskép megfelelő pixele a komplex hullámfront két szomszédos pixelének interferenciájaként áll elő. A titkosító rendszer statisztikus optikai modelljének segítségével bebizonyítottam, hogy ha növeljük a komplex modulációjú hullámfront átlagos intenzitásának, valamint a kódolt intenzitáskép átlagos intenzitásának arányát, a titkosítás bináris kulcshossza növelhető. Megmutattam, hogy komplex modulációjú bemeneti hullámfrontok alkalmazásával elérhető kulcshossz monoton nő az optikai rendszer jel-zaj viszonyának növelésével. [S1,S4] 4. Új térszűrőket javasoltam Fourier szűrésen alapuló térbeli fénymodulátorokhoz, melyek segítségével komplex modulációjú hullámfrontok hozhatók létre alkalmasan megválasztott fázismodulált hullámfrontokból. A javasolt térszűrők transzmittancia eloszlása az előállítani kívánt komplex modulációjú hullámfront és a térszűrő rendszer bemenetére helyezett fázismodulált hullámfront spektrális teljesítménysűrűségeinek hányadosaként állítható elő. - 4 -

Megmutattam, hogy a javasolt térszűrővel előállított hullámfront, és a megvalósítani kívánt ideális hullámfront közti eltérés az optikai rendszer sávszélességének növelésével monoton csökken, ellentétben a szakirodalomban tárgyalt elrendezésekkel. [S2,S5] Tézispontokhoz kapcsolódó tudományos közlemények S1 T. Sarkadi, P. Koppa, F. Ujhelyi, J. Reményi, G. Erdei, E. Lőrincz, Holographic data storage using phase-only data pages, Proceedings of SPIE -Optical and Digital Image Processing, Strasbourg, 7000, paper: 700004, pp: 4-11 (2008) S2 T. Sarkadi, P. Koppa, Measurement of the Jones matrix of liquid crystal displays using a common path interferometer, Journal of Optics, 13, 035404 (2011) S3 T. Sarkadi, P. Koppa, Quantitative security evaluation of optical encryption using hybrid phase- and amplitude modulated keys, Applied Optics, 51, 745-750 (2012) S4 T. Sarkadi, P. Koppa, Optical encryption using pseudorandom complex spatial modulation, Applied Optics, 51, 8068-8073 (2012) S5 T. Sarkadi, Á. Kettinger, P. Koppa, Spatial filters for complex wavefront modulation, Applied Optics, 52, 5449-5454 (2013) S6 T. Sarkadi, P. Koppa, Improved data pages for an interference-based cryptosystem, Applied Optics, 53, 798-805 (2014) További tudományos közlemények S7 T. Sarkadi, P. Koppa, Fourier optical cryptosystem using complex spatial modulation, Physica Scripta, T162, 014051. (2014) S8 Z. Göröcs, G. Erdei, T. Sarkadi, F. Ujhelyi, J. Remenyi, P. Koppa, E. Lorincz, Hybrid multinary modulation using a phase modulating spatial light modulator and a low-pass spatial filter, Optics Letters, 32, 2336-2338 (2007) S9 Z. Göröcs, G. Erdei, T. Sarkadi, F. Ujhelyi, J. Reményi, P. Koppa, E. Lőrincz, Application of a phase-slm and low-pass Fourier filtering to generate spatial patterns simultaneously modulated in phase and amplitude, International Quantum Electronics Conference, Munich, paper: 4386047, (2007) S10 P. Koppa, T. Sarkadi, F. Ujhelyi, J. Remenyi, G. Erdei, E. Lorincz, Optical encryption and encrypted holographic storage using phase-only data pages, Proceedings of SPIE, Optics and Photonics in Security and Defence Conferences, Optics and Photonics for Counter-Terrorism and Crime-Fighting. Florence, 6741, pp: 74101-74108, (2007) S11 Z. Göröcs, T. Sarkadi, G. Erdei, P. Koppa, Hologram positioning servo for phaseencoded holographic data storage systems, Applied Optics, 49, 611-618 (2010) - 5 -