21世纪是一个数字化、信息化的时代,作为高新技术产业代表的计算机和互联网技术蓬勃发展,移动通信、多媒体、自动化、人工智能等技术也极大地丰富和便利了人们的日常生活。在社会高度信息化的今天,信息安全也得到人们的广泛关注。图像和视频是现代社会信息传递的重要媒介,如何保证其在传播及使用过程中的安全性,防止信息被非法窃取和利用,是信息化时代需要解决的一个重要问题。光学信息安全技术是近几十年发展起来的新兴技术之一,其利用光学系统具备的多维度、高并行性、高速度、大容量等优点,在图像和视频的编码、加密、信息隐藏和认证等领域得到广泛应用。本论文在单像素彩色成像的基础上,结合密码分析、混沌加密、信息隐藏、深度学习等技术提出了一系列光学信息安全技术的新方案,具体内容包括:（1）提出了一种基于Henon混沌系统和分通道编码单像素探测的彩色图像加密方法。首先使用特定密钥K1调制编码,生成三组彩色投影基序列。利用Henon混沌系统由参数密钥K2生成随机密码表,按密码表顺序打乱彩色投影基序列,通过单像素系统完成对目标的探测和编码。利用密钥K1进一步置乱光强信号,经过Arnold变换之后得到最终的密文图像。Henon混沌系统可以生成任意密钥空间大小的密码表,特定密钥调制的投影掩膜保证了在探测过程中对目标物体的各通道编码,提高了加密系统的安全性。（2）提出了一种基于色彩滤波阵列（Color Filter Array,CFA）的单像素彩色成像和奇异值分解（Singular Value Decomposition,SVD）、重分布不变域提升小波分解（Redistributed Invariant Lifting Wavelet Transformation,RILWT）的光学信息隐藏方案。首先利用 CFA调制灰度投影基,利用单像素系统对目标场景的空间和光谱信息进行编码和探测,得到探测信号作为待隐藏信息。利用奇异值分解获取探测信号的主体成分,将其代替整体信号嵌入到宿主图像重分布不变提升小波域的低频子图中。引入色彩滤波阵列的单像素彩色探测可以大幅降低采样次数和数据存储量;奇异值分解和重分布不变域的小波分解给信息隐藏技术提供了更高的安全性及额外的抵抗几何畸变的鲁棒性,实现了低存储、高鲁棒性和高安全性的彩色信息隐藏。（3）提出了一种基于深度学习的单像素彩色成像和复合混沌系统的压缩图像加密方法。在基于色彩滤波阵列的单像素加密系统的基础上,使用特殊排列的‘蛋糕切割’式（Cake-cutting）Hadamard矩阵经复合混沌系统置乱,可以在极低采样比下获得密文图像。解密时以初步解码的压缩灰度马赛克图像作为输入,经由已训练的深度神经网络解码重建彩色图像。‘蛋糕切割’式Hadamard矩阵是对原始Hadamard矩阵的重新排列,其与深度学习的结合,实现了极低采样条件下单像素彩色图像的重建,降低了密文容量,提高了重建图像的质量。复合混沌系统的引入在保证密钥空间的前提下,有效地提高了加密系统的安全性。