论文标题：A Single-Sized Metasurface for Image Steganography and Multi-Key Information Encryption

期刊：Engineering

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.04.015

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随着信息迅速流动和数字通信技术的不断发展，信息安全引起了广泛关注。计算科学与技术的不断突破，对传统加密方法造成了威胁，而光学加密方法则被视为提升信息安全的有效途径。超表面以其在纳米尺度上操纵光学参数的非凡能力而闻名，在光学器件的革命中显示出巨大的潜力，成为光学加密应用的一个非常有前景的候选材料。来自武汉大学电子信息学院的梁聪玲、黄天（共同第一作者），以及武汉大学电子信息学院戴琦、李子乐和鹏城实验室余少华（共同通讯作者）组成的研究团队，在中国工程院院刊《Engineering》发表了题为 “A Single-Sized Metasurface for Image Steganography and Multi-Key Information Encryption”（用于图像隐写和多密钥信息加密的单尺寸超表面）的研究性文章，所提出的超表面具有信息密度高和安全性强等优点，在便携式加密、高分辨率图像显示和高密度光存储等应用中具有前景。

研究团队提出了一种具有四个独立调控通道的单尺寸超表面，用于图像隐写和多密钥信息加密。这种超表面由相同尺寸但朝向角不同的纳米砖组成，通过精确调控入射光的偏振和相位，能够在不同的偏振态和衍射域内产生精确的强度分布，从而实现四个独立的信息通道。

图1 基于单尺寸多通道超表面的多密钥加密系统示意图。

图2 超表面的多路信息通道示意图。

在研究中，明文信息首先被转换为密文图像，并被编码进超表面的一个信息通道中，而解密密钥则被集成到同一超表面的另一通道中。隐写图像具备两个不同的图像揭示密钥，同样被编码到超表面的另外两个通道中。通过不同的衍射域位置，可以检索不同的信息通道。这种分布式多密钥加密方法不仅提高了加密的安全性，还通过将图像策略性地分布在不同的空间区域，进一步降低了信息泄露的风险。

超表面的设计采用了极简化策略，其中的纳米砖作为纳米半波片，能够在不改变纳米结构形状、大小或位置的情况下，实现对入射光的偏振和相位的精确调控。通过优化纳米砖的朝向角分布，可以在不同的偏振态和衍射域内产生特定的图案，从而实现多通道信息存储和加密。这种设计不仅提高了信息密度，还增强了加密的安全性。

图3 利用多路复用超表面对四种不同图像进行编码的设计流程图。首先，确定每个通道中用于编码的图像。然后，根据马吕斯定律计算每个像素内纳米砖的可选朝向角。然后利用模拟的退火算法来优化朝向角分布，引导输出光在通道3和通道4中产生特定的图案。最后，作为纳米半波片的纳米砖按照最终优化的朝向角进行排列，从而形成超表面。

研究人员通过数值仿真和实验验证了超表面的功能。他们设计了多个超表面样片，并在不同的观测条件下成功演示了多通道信息的存储和加密。实验结果表明，超表面能够在不同的偏振态、波长和衍射距离下呈现出不同的图像，验证了其多通道信息存储和加密的能力。此外，研究人员还引入了一种多密钥加密策略，通过将明文图像转换为密文图像，并将解密密钥隐藏在超表面中，进一步提高了信息的安全性。

图4 多通道超表面隐写的目标图像、模拟结果和实验结果。

图5 超表面多密钥加密的演示。

这种单尺寸超表面的设计不仅结构紧凑、鲁棒性高，还具有功能高度可扩展的优点。通过在输入端和设备端引入新的自由度，如改变光波的偏振态或利用堆叠超表面设计，可以实现额外的信息通道并进一步增强设计灵活性。这种超表面在信息加密、数据存储、图像显示等领域具有广泛的应用前景。

该研究得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金、湖北省自然科学基金和江苏省自然科学基金的资助。研究人员表示，这种单尺寸超表面的设计为光学信息编码和安全提供了一种新的解决方案，其极简化设计和多密钥加密能力代表了数据安全领域的一个重要进步。

论文信息：

Congling Liang, Tian Huang, Qi Dai, Zile Li, Shaohua Yu. A Single-Sized Metasurface for Image Steganography and Multi-Key Information Encryption. Engineering, 2024, 41(10): 64-73 DOI:10.1016/j.eng.2024.04.015

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