原创 Light新媒体 中国光学 收录于话题#红外技术1#密码科学与技术1#生物识别技术1
撰稿 | 同济大学 Rayleigh
无论是用柠檬汁（隐形墨水）无形地书写还是用复杂的数学加密，秘密信息都通过无数奇异而复杂的方式进行传递。
在当下数字信息化时代，加密方法是把信息从纯文本转换为可以在另一侧解密但不能在两者之间解密的加扰数据，以免被黑客攻击。为了增加破解难度，加密技术在很大程度上依赖于极其复杂的数学算法。
在当前技术条件下，现有算法相对比较安全，需要数年或数十年的时间才能被破解，但量子计算机的出现使得这一过程大大缩短，其理论处理能力远超经典计算机，在不久的将来，量子计算机能够轻松闯入当前的密码系统。
图1：网络信息安全艺术效果图
图源：Light新媒体
因此，拥有不可变特征的物理加密系统变得重要起来，它可以为加密提供了新的、强大的途径，随着我们的生活和最敏感的信息越来越数字化，新的加密技术需求越来越迫切。
此外，现在的加密技术和算法日益复杂，对操作者的要求也随之越来越高，有时甚至成了使用者的一种负担，想必有不少人有过忘记密码的经历。这时候如果有种既简单灵活又难破解的加密与解密方法，无疑是有价值的。
那么，究竟是什么物理加密技术可以成为未来的“加密之星”？
介绍之前，我们首先来科普一个知识点：手会发光吗？
答案是会的，但是人眼看不到。因为光波长范围有着很宽的尺度（如图2），它涵盖了从长波长的无线电波（想想我们每天开车时收听的广播电台）到极短波长的各种射线（比如x射线，伽马射线）。
图2：光的各波段划分
图源：NASA
我们的眼睛只能看到波长范围从 380 纳米到780 纳米之间的可见光，而手发光的波长都在红外波段，红外光正好在这个范围之外，波长在略高于750 纳米到1毫米之间。
“手”的红外特征独一无二，只要让我们的身体保持处于恒温的内稳态，我们就可以毫不费力地产生这种光。“手”似乎是无电源解密工具的完美候选者。
图3：手的艺术效果图
图源：Light新媒体
如果要将不起眼的“手”变成一个强大的解密工具，还需要把环境红外辐射（例如房间里的热量）与来自手的红外辐射分开。
基于此，上海交通大学材料科学与工程学院邓涛教授团队开展了相关研究并于近期实现了重大突破。该研究成果以 Human hand as a powerless and multiplexed infrared light source for information decryption and complex signal generation 为题发表在 PNAS。
图4：人手红外辐射艺术效果图
来源：PNAS
该团队展示了如何使用来自手的红外辐射不仅可以解密秘密信息，还可以创建无法克隆或复制的密码，只需轻轻一挥，即可获得对信息或位置的独特访问权限。
这种集成将提供一个具有智能人机集成的免电源、多功能解密系统。换句话说，一种保护由人体而不是计算机控制的数据的强大方法。
该团队展示了如何将人手应用在红外防伪和手势识别两种场景里。
在红外防伪应用中
该研究团队将整只手作为红外光源，用于防伪图案的验真鉴定。防伪图案材料使用了聚二甲基硅氧烷（PDMS），基板材料是金属铝。
PDMS材料在LED等可见光照明下，看上去是接近透明的，但在红外光条件下却有明显的吸收。金属铝对可见光和红外光则都具有很高的反射率。当手上发出的红外光照射到PDMS材料样品区域上时，该区域的红外反射率相对低与基板其他区域存在较大的对比度差异，这种差异可以被红外相机捕捉，并且可视化，从而将PDMS图案凸显了出来。实验示意图如下，人手距离样品大概30cm。
图5：人手光源用于红外防伪示意图
图源：PNAS
下图展示了人手作为光源的实验效果。在暗室中使用红外相机拍摄，随机二维码图案是PDMS材料制作。可以实现不用光源，“直接上手”将图案“照亮”，并获得清晰可见的图像。
图6（动图）：不用和用手作为红外光源的编码模式解密
图源：PNAS
PDMS材料的红外吸收能力随着涂层厚度的增加而变大，通过调控PDMS薄膜的红外反射率，可以使得防伪图案的不同部分反射的红外光强度不同。通过对红外相机捕捉到灰度图像进行上色处理，该研究进一步实现了多级伪彩色信息加密与识别。
如下图所示，图中的三种颜色线条是代表了三种厚度的PDMS材料。与单色的防伪图案相比，彩色防伪进一步强化了加密信息的强度与安全性。
图7：伪彩色识别效果图
来源：PNAS
该系统同样存在着一个限制：随着环境温度升高（或手变冷），反射率对比度会降低。为此，该团队提出了一个聪明而又简单的解决方案——将双手揉在一起以增加温度以进行补偿。
看到这里，或许有读者会认为该研究并无稀奇，毕竟将人脸或手等部位当作光源已经是很常见的做法，例如在红外人体测温和热成像等领域。但是，该研究的新颖之处在于不只简单的将整个手作为光源，而且进一步将每根手指作为一个独立的“发光棒”，将其集成到信号生成系统中进行手势识别。
在手势识别应用中
作者首先制备了一个反射型光栅阵列，这些光栅阵列以硅晶片为基底，采用蚀刻方式制备而成。通过调控光栅刻线的周期及排列方向，可以让每根手指发射的红外光可以选择性地被特定的光栅衍射，从而将指定区域“照亮”。
人手指“发光棒”可屈可伸，可上可下，其数量和相对空间位置可组成多种手势，并且可通过大脑直接调节和控制。手指屈伸和握舒组合状态不同，整体的手势发光也不同，对应的衍射图案也会发生改变，手势与衍射图案构成了一一对应的关系。
此时手势可以当作一种密钥，因为只有正确的手势才能与预先设定的图案匹配，这一点与目前流行的人脸识别技术是很相似的。
但不同之处在于，人类的手结构精细，动作灵活，功能强大。作为最重要的体态语言，手势状态数量比人脸多得多，目前使用相机识别手势轮廓存在相当大的难度，其可靠性远不如更加昂贵更加复杂的数据手套（）技术。该研究则充分利用了手势与衍射图案的对应关系，将手势识别转换成了图案识别。
下图展示了一个例子，从3根手指的手势组合中挑选出26种手势以及相应的26种红外衍射图案，将这些图案与26个英文字母一一对应后，可以快速建立一个简单的手势识别与通信系统。
图8：基于手指与光栅选择性作用的手势识别系统：
（A）光栅阵列与不同的手势之对应的红外衍射图案。
（B）衍射图案、手势以及对应字母之间的自建对照表。
图源：PNAS
该研究设计的光栅阵列，更像是一个手势的物理转换器，它将手势图像转换成了一一对应的平面的衍射斑点图像。原本复杂的手势图像分割、特征提取分析也转换成了相对容易很多的斑点图像分析。
该方案有很高的鲁棒性，不仅对光照不良或手的尺寸变化不敏感，同时在实时性和灵活性方面也具有很大优势。
由于大脑直接负责人手光源的调控，该研究有助于提升系统的智能性和可控制性，为更低功耗和更智能的防伪与识别系统提供了一种新的思路。
目前，研究人员正在寻求优化解密和控制系统的性能，同时探索新的潜在应用。除了红外防伪和手语识别，这项技术还可以用于其他应用的人机交互，例如虚拟游戏、虚拟现实、智能家居、办公室和车辆控制以及医疗保健和医疗援助。
论文信息
Human hand as a powerless and multiplexed infrared light source for information decryption and complex signal generation, Shun An, Wen Shang, Modi Jiang, Yini Luo, Benwei Fu, Chengyi Song, Peng Tao, Tao Deng, Proceedings of the National Academy of Sciences Apr 2021, 118 (15) e2021077118.
论文地址
https://doi.org/10.1073/pnas.2021077118
编辑 | 赵阳
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原标题：《智能红外技术：破译密码，只需挥一挥手！》
