基于物理混沌的混合圖像加密系統(tǒng)研究

王紅燕（寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院,寶雞,721013）

基于物理混沌的混合圖像加密系統(tǒng)研究

王紅燕
（寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院,寶雞,721013）

文章分析了基于物理混沌的混合圖像加密系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)加密原理，并對硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)進行了設(shè)計。

物理混沌；混合圖像；系統(tǒng)

0 引言

英國數(shù)學(xué)家Matthews最早提出了混沌系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)加密。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，信息數(shù)據(jù)的安全問題日益受到關(guān)注，信息安全與實時快捷的信息交流之間的矛盾也日益突出，混沌加密技術(shù)及混沌通信已經(jīng)成為國際上研究的熱點課題，在密碼學(xué)領(lǐng)域中，沌加密技術(shù)及混沌通信逐步顯現(xiàn)出了其優(yōu)越性。

1 數(shù)字圖像加密

經(jīng)過實踐證明，絕對安全的圖像加密方案的不可能實現(xiàn)的。一般認為，只要破譯加密方案的代價比數(shù)據(jù)本身的價值高或者是破譯加密方案需要的時間長于數(shù)據(jù)保密期，就可以認為加密方案是安全可靠的。在設(shè)計加密方案時，要考慮加密速度、數(shù)字間相關(guān)性、冗余度。

2 加密方案原理

混沌系統(tǒng)的主要特點有不可預(yù)測性、類隨機性及初值敏感性，系統(tǒng)的這三個特性是其在密碼學(xué)中應(yīng)用的最基本的原因。加密系統(tǒng)分為常規(guī)加密系統(tǒng)及混沌加密系統(tǒng)。每個系統(tǒng)都具有其優(yōu)缺點，常規(guī)加密系統(tǒng)的缺點是明文密文對的唯一對應(yīng)有可能被破譯，優(yōu)點是安全性高，易評估，具有成熟的密鑰空間設(shè)計技術(shù)；混沌加密系統(tǒng)的缺點是不能解決密鑰空間的設(shè)計問題，其優(yōu)點是能夠利用混沌信號的不可預(yù)測性。所以，這兩種系統(tǒng)的相互結(jié)合構(gòu)成的混合加密系統(tǒng)，顯著提高整個系統(tǒng)的抗攻擊能力。

DES是一種分組密碼的算法，這種算法比較典型。DES使用附加的奇偶校驗位為8位，使用的密鑰為56位，產(chǎn)生的密鑰大小有64位。加密的信息塊采用Feistel技術(shù)分成各32位的兩組，然后將這兩組進行交換。循環(huán)一共進行16次，這個分組密碼是迭代的。

混合加密算法的主要步驟如下所述:

②經(jīng)過常規(guī)加密技術(shù)DES密文c在密鑰k作用下得到加密密文d，

3 系統(tǒng)整體設(shè)計

基于物理混沌的圖像加密系統(tǒng)的實質(zhì)就是一個DSP應(yīng)用系統(tǒng)。

3.1 硬件結(jié)構(gòu)

基于物理混沌的圖像加密系統(tǒng)的硬件組成，如下圖所示：

由圖1可知，系統(tǒng)的硬件部分主要由五部分組成，分別為TMS320DM642芯片、圖像輸入輸出處理模塊、存儲模塊、液晶屏顯示模塊、圖像傳感器、電源電路。TMS320DM642芯片是對整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理核心，實現(xiàn)混沌加密算法。為了擴展系統(tǒng)的存儲空間，所以系統(tǒng)中采用存儲模塊，存儲模塊的主要作用是存儲圖像。圖像輸入輸出模塊主要是處理輸入和輸出的信號，讓它們成為能夠處理的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。液晶屏顯示模塊主要的作用是顯示輸出的圖像。圖像傳感器主要作用是攝取前方的物體，電源電路的作用就是為整個系統(tǒng)提供電源。

（1）存儲模塊

基于TMS320DM642芯片的存儲模塊有外部存儲器、片上存儲器兩部分，它以字節(jié)為單位進行程序/數(shù)據(jù)空間的統(tǒng)一編址，其外部存儲器接口（EMIF）、片上外設(shè)、片上存儲器都映射到4G-字節(jié)空間中。

TMS32ODM642芯片訪問片外存儲器通過EMIF進行，EMIF由4位片選線CE3~CE0、8位字節(jié)使能線BE[7:0]、20-位地址線A[22:03]、64-位數(shù)據(jù)線D[63:0]、及存儲器的讀/寫控制信號AWE/SWE/SDWE、AOE/SOE/SDRAS、ARE/SADS/SDCAS/SRE、ECLKOUT2、ECLKOUT1、ECLKIN、HOLDA、HOLD、SOE3、SDCKE、ARDY組成，每個空間的尋址空間是256M字節(jié)，可配置與各類存儲器如SRAM、Flash、SDRAM、ZBTSRAM等的接口。

通過EMIF擴展，視頻處理模板上的外部存儲資源有ATA 16x16-位，UARTA8×8-位，8位異步靜態(tài)存儲器接口；SDRAM最大4M×64位，64-位同步動態(tài)存儲器接口；Flash最大4M×8位，8-位異步靜態(tài)存儲器接口。

（2）圖像輸入輸出模塊

該系統(tǒng)采用TVP5158為視頻解碼電路，采用TVP5150為視頻編碼電路，視頻編碼及解碼都支持PAL制式、NTSC制式。

（3）液晶顯示模塊

視頻編碼器TVP5150的輸出是液晶顯示模塊的輸入。TVP5150的視頻輸出共有兩路，分別為Y_OUT，C_OUT及CVBS_ OUT。液晶屏采用超級視頻（S-Video，Y/C）輸出來連接，也就是使用C_OUT、Y_OUT兩個端口進行連接。通過液晶屏的標(biāo)準(zhǔn)S端子接口，可輸出超級視頻。

（4）圖像傳感器

在本系統(tǒng)中，采用CCD攝相頭作為圖像傳感器，CCD攝相頭的主要作用就是攝取系統(tǒng)的前方物體，圖像的輸出制式為PAL/ NTSC，然后將這些信息輸出到圖像解碼器進行數(shù)字化處理，最后處理器再進行相應(yīng)處理。

3.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

在本系統(tǒng)中，系統(tǒng)的軟件的具體的工作過程就是通過CCD攝像機采集圖像，經(jīng)過芯片對圖像進行圖片格式轉(zhuǎn)化、預(yù)處理（置亂操作）、移位操作等，使用物理混沌序列產(chǎn)生的置亂地址碼改變原圖像像素的位置，也就是置亂的過程；最后在液晶屏上輸出得到的圖像。

4 結(jié)束語

基于物理混沌的加密方案是一種安全性較高的圖像加密系統(tǒng)，本文設(shè)計了基于物理混沌的圖像加密系統(tǒng)，對其硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)進行了初步設(shè)計，在以后的研究過程中，要對系統(tǒng)的進行測試，不斷完善系統(tǒng)的功能。

曹建秋,肖華榮,藍章禮,等.基于數(shù)字圖像比特面的混沌加密方法[J].計算機技術(shù)與發(fā)展,2010,20(8):133-135．

Physical chaotic image encryption system based on hybrid

Wang Hongyan
（Baoji Vocational and Technical College,Baoji,721013）

This paper analyzes the chaotic mix of physics-based image encryption system to encrypt the principles of the system are analyzed,and the hardware and software systems are designed.

physical chaos;hybrid image;system

王紅燕（1969-），女，陜西蒲城人，講師，研究方向為物理教育與電子信息技術(shù)。

圖1 基于物理混沌的圖像加密系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

本文為2014年度陜西省職業(yè)技術(shù)教育學(xué)會教育科研規(guī)劃課題:關(guān)于高職院校五年制高職物理課程改革的研究（課題編號：SZJYB2014045）的研究成果。