基于物理混沌的混合圖像加密系統研究

王紅燕（寶雞職業技術學院,寶雞,721013）

基于物理混沌的混合圖像加密系統研究

王紅燕
（寶雞職業技術學院,寶雞,721013）

文章分析了基于物理混沌的混合圖像加密系統，分析了系統加密原理，并對硬件系統和軟件系統進行了設計。

物理混沌；混合圖像；系統

0 引言

英國數學家Matthews最早提出了混沌系統用于數據加密。隨著信息技術的發展，信息數據的安全問題日益受到關注，信息安全與實時快捷的信息交流之間的矛盾也日益突出，混沌加密技術及混沌通信已經成為國際上研究的熱點課題，在密碼學領域中，沌加密技術及混沌通信逐步顯現出了其優越性。

1 數字圖像加密

經過實踐證明，絕對安全的圖像加密方案的不可能實現的。一般認為，只要破譯加密方案的代價比數據本身的價值高或者是破譯加密方案需要的時間長于數據保密期，就可以認為加密方案是安全可靠的。在設計加密方案時，要考慮加密速度、數字間相關性、冗余度。

2 加密方案原理

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

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，產生的密鑰大小有64位。加密的信息塊采用Feistel技術分成各32位的兩組，然后將這兩組進行交換。循環一共進行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經過常規加密技術DES密文c在密鑰k作用下得到加密密文d，

3 系統整體設計

基于物理混沌的圖像加密系統的實質就是一個DSP應用系統。

3.1 硬件結構

基于物理混沌的圖像加密系統的硬件組成，如下圖所示：

由圖1可知，系統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芯片是對整個系統的數據處理核心，實現混沌加密算法。為了擴展系統的存儲空間，所以系統中采用存儲模塊，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準數據。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，它以字節為單位進行程序/數據空間的統一編址，其外部存儲器接口（EMIF）、片上外設、片上存儲器都映射到4G-字節空間中。

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位字節使能線BE[7:0]、20-位地址線A[22:03]、64-位數據線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，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位異步靜態存儲器接口；SDRAM最大4M×64位，64-位同步動態存儲器接口；Flash最大4M×8位，8-位異步靜態存儲器接口。

（2）圖像輸入輸出模塊

該系統采用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。通過液晶屏的標準S端子接口，可輸出超級視頻。

（4）圖像傳感器

在本系統中，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字化處理，最后處理器再進行相應處理。

3.2 系統的軟件設計

在本系統中，系統的軟件的具體的工作過程就是通過CCD攝像機采集圖像，經過芯片對圖像進行圖片格式轉化、預處理（置亂操作）、移位操作等，使用物理混沌序列產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，本文設計了基于物理混沌的圖像加密系統，對其硬件系統和軟件系統進行了初步設計，在以后的研究過程中，要對系統的進行測試，不斷完善系統的功能。

曹建秋,肖華榮,藍章禮,等.基于數字圖像比特面的混沌加密方法[J].計算機技術與發展,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。

圖1 基于物理混沌的圖像加密系統的結構圖

本文為2014年度陜西省職業技術教育學會教育科研規劃課題:關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。