基于光学理论与方法的数据加密和信息隐藏技术是近年来在国际上开始起步发展的新一代信息安全理论与技术。作为国家自然科学基金项目:“基于虚拟光学框架的多维信息隐藏及密码学”(项目号:60472107)、中国科学院模式识别国家重点实验室开放课题基金项目:“基于信息光学的多维数据隐藏理论与技术”、广东省自然科学基金项目:“基于虚拟光学框架的多维信息密码学研究”(项目号:04300862)和深圳市科技计划项目:“基于虚拟光学的信息安全技术”(项目号:200426)的重要研究内容之一,本论文对基于信息光学的多维数据加密及数字水印中的若干关键技术进行了系统的研究,主要工作包括以下几个方面:1.阐述了“虚拟光学”的概念,深入研究了虚拟成像(VOI)和虚拟类全息(VOH)两种基于虚拟光学模型构建的多维数据加密算法的设计原理、实现技术、密码系统多维密钥设计技术。2.提出利用并行DSP实现基于虚拟光学的多维数据加密算法的电子学硬件实现方法。建立的基于TMS320C6701并行DSP芯片的高密级数据加密系统,利用电子手段(并行硬件、并行算法)模拟光学数据处理的过程,有效的将电子数据加密处理器和光学数据加密处理器各自的主要优点相结合,完成了虚拟光学多维数据加密算法的高速、准并行编码。3.提出基于虚拟光学的多维数据加密算法的安全性分析及综合评估方法。以VOI和VOH两种基于虚拟光学概念与方法构造的新型对称分组密码算法为例,首次对光学数据加密系统的安全性进行了详细的密码分析学研究,包括复杂度、密钥长度、密钥与分组、混淆和扩散性能、雪崩效应、非线性性、算法的硬件实现特性、弱密钥、陷门等关键问题。提出的分析方法,对于其它基于光学信息处理技术构建的密码系统也同样具有较大的参考意义。4.首次从完整的信息安全系统的角度来考虑光学信息安全问题,将基于虚拟光学的多维数据加密和解密技术与公钥密码学的方法相结合,提出了一种混合密钥加密系统,并加入了认证技术从而构建了一个网络环境下的虚拟光学信息安全系统模型,为光学信息安全走向实用化奠定了必要的基础。5.将虚拟光学的概念与方法扩展到在三维空间研究数字水印的嵌入与提取问题,提出了一种基于虚拟光学的三维空间数字水印算法。该水印算法具有清晰的物理背景以及良好的可证明性、不可感知性、安全性和鲁棒性。为了进一步提高安全性,对水印算法做了改进,提出了一种结合随机模板编码的高安全强度三维空间数字水印算法。6.运用密码分析学的方法对双随机相位加密系统进行了安全性分析,并提出了