izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2023-6-21-26izmertech-1868Research ArticleОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯOPTICOPHYSICAL MEASUREMENTSГолографическое кодирование цветного видеопотока формата 4K с помощью фазовых жидкокристаллических модуляторов светаHolographic encryption of color video with 4K resolution using phase liquid crystal spatial light modulatorshttps://orcid.org/0000-0003-0914-9736РымовД. А.RymovD. А.

Дмитрий Андреевич Рымов

Москва

Dmitry A. Rymov

Moscow 

rymov.d.a@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-7816-5989ШифринаА. В.ShifrinaA. V.

Анна Владимировна Шифрина

Москва

Anna V. Shifrina

Moscow 

avshifrina@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-3556-2663ЧерёмхинП. А.CheremkhinP. A.

Павел Аркадьевич Черёмхин

Москва

Pavel A. Cheremkhin

Moscow

cheremhinpavel@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6985-9663РодинВ. Г.RodinV. G.

Владислав Геннадьевич Родин

Москва

Vladislav G. Rodin

vitaly.krasnov@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3667-8262КрасновВ. В.KrasnovV. V.

Виталий Вячеславович Краснов

Москва

Vitaly V. Krasnov

holo_mephi@mail.ruНациональный исследовательский ядерный университет «МИФИ»РоссияNational Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute)Russian Federation202320072023062126Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20232023ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/1868

Рассмотрено применение оптического кодирования информации различного типа (в том числе видеоинформации) при её оперативной передаче с целью защиты от несанкционированного доступа. Для повышения качества кодирования видеопотоков и обеспечения высокой пропускной способности системы кодирования экспериментально реализовано голографическое кодирование в пространственно-некогерентном излучении цветного видеопотока формата 4К с цифровым вводом информации и динамически сменяющимися кодирующими элементами-голограммами. Для ввода кодируемой видеоинформации и отображения голограмм использованы жидкокристаллические пространственно-временны́ е модуляторы света высокого разрешения. Метод кодирования основан на регистрации оптической свёртки изображения входной сцены с кодирующим откликом голограммы. При этом поочерёдно кодируются отдельные цветовые каналы каждого кадра видеопотока. Для декодирования использованы численные методы инверсной фильтрации и регуляризация. Результаты работы будут полезны при создании систем защищённой видеосвязи высокого разрешения нового поколения.

The communications number and information size are significantly increasing. Transmission of various types information (including video information) should be fast and protected from unauthorized access. The use of optical encryption for this purpose makes it possible to encode large data arrays with high cryptographic strength. Most optical information encoding systems use coherent light, which results in an extremely low signal-to-noise ratio in decrypted images. Holographic encryption of color 4K video with digital information input and dynamically changeable encoding holograms by means of the liquid crystal spatial light modulators of high resolution was implemented for the first time. The method is based on optical convolution of the input image with the encoding hologram using spatially-incoherent light. Color encoding is carried out by sequential encryption of different color channels of each video frame. Decryption is carried out by numerical methods of inverse filtering with regularization. Results of this work can be used for creation of high resolution secure video communication systems of new generation.

оптическое кодированиецифровая голографиякиноформжидкокристаллические пространственно- временные модуляторы светарегистрация изображенийоптическая обработка информацииoptical encryptiondigital holographykinoformliquid crystal spatial light modulatorimage registrationoptical information processingработа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда, грант № 21-79-00117.ReferencesAlfalou A., Brosseau C. Adv. Opt. Photonics, 2009, vol. 1, pp. 589–636. https://doi.org/10.1364/aop.1.000589Alfalou A., Brosseau C. Adv. Opt. Photonics, 2009, vol. 1, pp. 589–636. https://doi.org/10.1364/aop.1.000589Javidi B., Carnicer A., Yamaguchi M., et al. Journal of Optics, 2016, no. 18(8), 083001. https://doi.org/10.1088/2040-8978/18/8/083001Javidi B., Carnicer A., Yamaguchi M., et al. Journal of Optics, 2016, no. 18(8), 083001. https://doi.org/10.1088/2040-8978/18/8/083001Mohamed M. A., Samarah A. S., Allah M. I. F. Int. J. Comput. Sci. Issues, 2014, vol. 11, pp. 125–129, available at: https://www.ijcsi.org/articles/Optical-encryption-techniques-anoverview.php (accessed: 11.05.2023).Mohamed M. A., Samarah A. S., Allah M. I. F. Int. J. Comput. Sci. Issues, 2014, vol. 11, pp. 125–129, available at: https://www.ijcsi.org/articles/Optical-encryption-techniques-anoverview.php (accessed: 11.05.2023).Matin A., Wang X. Sci. Rep., 2021, vol. 11. pp. 1–11. https://doi.org/10.1038/s41598-021-02520-8Matin A., Wang X. Sci. Rep., 2021, vol. 11. pp. 1–11. https://doi.org/10.1038/s41598-021-02520-8Carnicer A., Juvells I., Javidi B., Martínez-Herrero R. Opt. Express, 2016, vol. 24, 6793. https://doi.org/10.1364/OE.24.006793Carnicer A., Juvells I., Javidi B., Martínez-Herrero R. Opt. Express, 2016, vol. 24, 6793. https://doi.org/10.1364/OE.24.006793Chen W. IEEE Photonics J., 2016, vol. 8, 6900608. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2016.2550322Chen W. IEEE Photonics J., 2016, vol. 8, 6900608. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2016.2550322Jeon S. H., Gil S. K. J. Opt. Soc. Korea, 2016, vol. 20, pp. 722–732. https://doi.org/10.3807/JOSK.2016.20.6.722Jeon S. H., Gil S. K. J. Opt. Soc. Korea, 2016, vol. 20, pp. 722–732. https://doi.org/10.3807/JOSK.2016.20.6.722Rajput S. K., Nishchal N. K. Opt. Commun., 2017, vol. 388, pp. 38–46. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2016.11.002Rajput S. K., Nishchal N. K. Opt. Commun., 2017, vol. 388, pp. 38–46. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2016.11.002Jaramillo A., Barrera J. F., Zea A. V., Torroba R. Opt. Lasers Eng., 2018, vol. 102, pp. 119–125. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2017.10.008Jaramillo A., Barrera J. F., Zea A. V., Torroba R. Opt. Lasers Eng., 2018, vol. 102, pp. 119–125. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2017.10.008Javidi B., Markman A., Rawat S. Appl. Opt., 2018, vol. 57, pp. B190–B196. https://doi.org/10.1364/AO.57.00B190Javidi B., Markman A., Rawat S. Appl. Opt., 2018, vol. 57, pp. B190–B196. https://doi.org/10.1364/AO.57.00B190Hai H., Pan S., Liao M., Lu D., He W., Peng X. Opt. Express, 2019, vol. 27, 21204. https://doi.org/10.1364/oe.27.021204Hai H., Pan S., Liao M., Lu D., He W., Peng X. Opt. Express, 2019, vol. 27, 21204. https://doi.org/10.1364/oe.27.021204Jaramillo-Osorio A., Barrera-Ramírez J. F., Mira-Agudelo A., Velez-Zea A., Torroba R. J. Opt., 2020, vol. 22, 035702. https://doi.org/10.1088/2040-8986/ab68f0Jaramillo-Osorio A., Barrera-Ramírez J. F., Mira-Agudelo A., Velez-Zea A., Torroba R. J. Opt., 2020, vol. 22, 035702. https://doi.org/10.1088/2040-8986/ab68f0Lin C., Shen X., Li B. Opt. Express, 2014, vol. 22, 20727. https://doi.org/10.1364/OE.22.020727Lin C., Shen X., Li B. Opt. Express, 2014, vol. 22, 20727. https://doi.org/10.1364/OE.22.020727Jiao S., Jin Z., Zhou C., Zou W., Li X. J. Opt. Soc. Am. A, 2018, vol. 35, A23. https://doi.org/10.1364/josaa.35.000a23Jiao S., Jin Z., Zhou C., Zou W., Li X. J. Opt. Soc. Am. A, 2018, vol. 35, A23. https://doi.org/10.1364/josaa.35.000a23Евтихиев Н. Н., Краснов В. В., Рябцев И. П., Родин В. Г., Стариков Р. С., Черёмхин П. А. Измерение модуляции фазового жидкокристаллического модулятора света Santec SLM-200 и анализ его применимости для реконструкции изображений с дифракционных элементов // Измерительная техника. 2021. № 5. С. 4–8. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2021-5-4-8Evtikhiev N. N., Krasnov V. V., Ryabcev I. P., Rodin V. G., Starikov R. S., Cheremkhin P. A. Measurement Techniques, 2021, vol. 64, no. 5, pp. 346– 351. https://doi.org/10.1007/s11018-021-01940-2 ]Евтихиев Н. Н., Краснов В. В., Молодцов Д. Ю., Родин В. Г., Стариков Р. С., Черёмхин П. А. Применение микрозеркального модулятора света для оптического кодирования с временным интегрированием // Автометрия. 2020. Т. 56. № 2. С. 34–41. https://doi.org/10.15372/AUT20200203Evtikhiev N. N., Krasnov V. V., Molodtsov D. Yu., Rodin V. G., Starikov R. S., Cheremkhin P. A. Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing, 2020, vol. 56, no. 2, pp. 134–139. https://doi.org/ 10.3103/S8756699020020053 ]Zhu Y., Xu W., Shi Y. Opt. Commun., 2019, vol. 435, pp. 426– 432. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2018.11.040Zhu Y., Xu W., Shi Y. Opt. Commun., 2019, vol. 435, pp. 426– 432. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2018.11.040Cheremkhin P. A., Evtikhiev N. N., Krasnov V. V., Rodin V. G., Starikov R. S. Optics and Lasers in Engineering, 2023, vol. 166, 107584. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2023.107584Cheremkhin P. A., Evtikhiev N. N., Krasnov V. V., Rodin V. G., Starikov R. S. Optics and Lasers in Engineering, 2023, vol. 166, 107584. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2023.107584Qin Y., Wang Z., Wang H., Gong Q. Opt. Laser Technol., 2018, vol. 103, pp. 93–98. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2018.01.018Qin Y., Wang Z., Wang H., Gong Q. Opt. Laser Technol., 2018, vol. 103, pp. 93–98. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2018.01.018Jiao S., Feng J., Gao Y., Lei T., Yuan X. Opt. Express, 2020, vol. 28, pp. 7301–7313. https://doi.org/10.1364/OE.383240Jiao S., Feng J., Gao Y., Lei T., Yuan X. Opt. Express, 2020, vol. 28, pp. 7301–7313. https://doi.org/10.1364/OE.383240Unnikrishnan G., Joseph J., Singh K. Opt. Lett., 2000. vol. 25, pp. 887–889. https://doi.org/10.1364/OL.25.000887Unnikrishnan G., Joseph J., Singh K. Opt. Lett., 2000. vol. 25, pp. 887–889. https://doi.org/10.1364/OL.25.000887Javidi B. Opt. Eng., 2000, vol. 39, 2031. https://doi.org/10.1117/1.1304844Javidi B. Opt. Eng., 2000, vol. 39, 2031. https://doi.org/10.1117/1.1304844Краснов В. В., Стариков С. Н., Стариков Р. С., Черёмхин П. А. Оптическое кодирование массивов двоичных чисел в пространственно-некогерентном свете // Известия вузов. Физика. 2015. Т. 58. № 10. С. 29–36.Krasnov V. V., Starikov S. N., Starikov R. S., Cheremkhin P. A. Russian Physics Journal, 2016, vol. 58, no. 10, pp. 1394–1401. https://doi.org/10.1007/s11182-016-0661-7Cheremkhin P. A., Evtikhiev N. N., Krasnov V. V., Minaeva E. D., Rodin V. G., Shifrina A. V. Proc. SPIE, 2018, vol. 10679, 106791Y. https://doi.org/10.1117/12.2307549Cheremkhin P. A., Evtikhiev N. N., Krasnov V. V., Minaeva E. D., Rodin V. G., Shifrina A. V. Proc. SPIE, 2018, vol. 10679, 106791Y. https://doi.org/10.1117/12.2307549Sahoo S. K., Tang D., Dang C. Sci Rep., 2017, vol. 7, 17895. https://doi.org/10.1038/s41598-017-17916-8Sahoo S. K., Tang D., Dang C. Sci Rep., 2017, vol. 7, 17895. https://doi.org/10.1038/s41598-017-17916-8Cheremkhin P. A., Evtikhiev N. N., Krasnov V. V., Rodin V. G., Shifrina A. V., Starikov R. S. Laser Physics Letters, 2020, vol. 17, pp. 025204. https://doi.org/10.1088/1612-202X/ab644c.Cheremkhin P. A., Evtikhiev N. N., Krasnov V. V., Rodin V. G., Shifrina A. V., Starikov R. S. Laser Physics Letters, 2020, vol. 17, pp. 025204. https://doi.org/10.1088/1612-202X/ab644c.Евтихиев Н. Н., Краснов В. В., Кузьмин И. Д., Молодцов Д. Ю., Родин В. Г., Стариков Р. С., Черёмхин П. А. Оптическое кодирование QR-кодов в схеме с пространственно-некогерентным освещением на базе двух микрозеркальных модуляторов света // Квантовая электроника. 2020. Т. 50. № 2. C. 195–196.Evtikhiev N. N., Krasnov V. V., Kuzmin I. D., Molodtsov D. Yu., Rodin V. G., Starikov R. S., Cheremkhin P. A. Quantum Electronics, 2020, vol. 50, no. 2, pp. 195–196. https://doi.org/10.1070/QEL17139Yu X., Chen H., Xiao J., Sun Y., Li X., Wang K. Optics Commun., 2022, vol. 510, pp. 127889. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2021.127889Yu X., Chen H., Xiao J., Sun Y., Li X., Wang K. Optics Commun., 2022, vol. 510, pp. 127889. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2021.127889Тихонов А. Н., Арсенин В. Я. Методы решения некорректных задач, М.: Наука, 1979.Tikhonov A. N., Arsenin V. Ya., Metody resheniya nekorrektnyh zadach, Moscow, Nauka Publ., 1979 (In Russ.)Cheremkhin P. A., Evtikhiev N. N., Krasnov V. V., Rodin V. G., Ryabcev I. P., Shifrina A. V., Starikov R. S. Appl. Opt., 2021, vol. 60, pp. 7336–7345. https://doi.org/10.1364/ao.430968Cheremkhin P. A., Evtikhiev N. N., Krasnov V. V., Rodin V. G., Ryabcev I. P., Shifrina A. V., Starikov R. S. Appl. Opt., 2021, vol. 60, pp. 7336–7345. https://doi.org/10.1364/ao.430968Fienup J. R. Appl. Opt., 1997, vol. 36, pp. 8352–8357. https://doi.org/10.1364/AO.36.008352Fienup J. R. Appl. Opt., 1997, vol. 36, pp. 8352–8357. https://doi.org/10.1364/AO.36.008352Nishchal N. K. Optical Cryptosystems, IOP Publishing, 2019. https://doi.org/10.1088/978-0-7503-2220-1Nishchal N. K. Optical Cryptosystems, IOP Publishing, 2019. https://doi.org/10.1088/978-0-7503-2220-1

The authors declare that there are no conflicts of interest present.