基于DSP+FPGA的多混沌實時視頻圖像加密系統

摘要：針對視頻圖像在數字通信中存在著安全和隱私問題，提出了基于DSP+FPGA技術來實現實時視頻圖像加密的系統設計方案，并詳細介紹了多混沌加密算法在DSP和FPGA上的實現。實驗結果表明多混沌實時視頻圖像加密增強了視頻圖像傳輸的安全性，同時證明了本系統對實時視頻圖像能快速地進行加密。
關鍵詞：圖像加密；混沌加密；DSP；FPGA

0 引言
隨著數字通信在網絡中使用越來越頻繁，視頻的安全保密也顯得越來越重要。在數字通信領域，許多在存儲和傳輸中安全可靠的視頻產品得到廣泛應用，例如：付費電視、機密視頻會議和醫學圖像系統等。從1970年開始就有許多優秀的密碼技術已經確定并得到廣泛的應用，如DES、IDEA和RSA等，同時也有許多密碼技術由于加密速度不是很快，不能直接應用于視頻加密中。因此，為了保護傳輸中的實時視頻內容，研究一些專門的實時視頻圖像加密算法顯得十分重要。針對上述問題，本文提出一種基于DSP+FPGA技術來實現實時視頻圖像加密。

1 多混沌圖像加密
多混沌圖像加密算法是通過多路選擇器選擇針對某一段數據采取哪種加密方式和密鑰，然后對明文進行加密生成密文，多混沌圖像加密算法框架如圖1所示。多混沌圖像加密算法涉及到流加密、分組加密及多路選擇器。

1．1 流加密
流加密的密鑰是利用兩個不同的一維逐段性混沌映射x1(i+1)=F1(x1(i)，p1)，x2(i+1)=F2(x2(i)，p2)來生成x1(i+1)和x2(i+1)兩個擬混沌軌道變量，然后利用非線性變換生成偽隨機比特序列。采用的一維逐段性混沌映射如下：

其中x(i)∈(0，1)，p∈(0，0．5)，x(0)作為初始條件，p是控制參數。
偽隨機比特序列是利用非線性原則來生成比特序列，其生成器如下：

流加密是將64bit的明文pi和64bit的偽隨機序列Si進行異或運算，公式如下：
Pi’=Pi⊕Si (3)
1．2 分組加密
分組加密是首先將64bit的明文分組成8組，然后讀入流加密生成的64bit偽隨機序列Si，最后將和Si異或運算后左循環移8位得到，將替代，重復變換n=18次。其變換公式如下：


1．3 多路選擇器
多路選擇器是利用一個一維逐段性混沌映射x3(i+1)=F3(x3(i)，p3)迭代多次來生成一個混沌軌道變量x3(i+1)，然后依據式(7)來生成偽隨機比特r，最后根據r來決定采用哪種加密算法，r=0時采用流加密，r=1時采用分組加密。