基于超混沌的视频加密系统设计与FPGA实现

发布时间：2020-03-25 23:00

【摘要】：随着互联网和多媒体技术的快速发展,视频信息被应用到人们生活的各个领域,关于视频信息的安全也受到广泛的关注,如何保护视频信息的安全已成为一个急需解决的问题。与传统的静态图像不同,动态视频具有数据量大,实时性要求高等特点,因此对视频加密的速度和安全程度提出了较高的要求。混沌系统具有对初始条件高度敏感,运动轨道长期不可预测等突出特征,能够快速产生大量的可再生而又类随机的伪随机序列。混沌系统这些独有的特性,为人们将混沌应用到视频加密领域提供了良好的基础。本论文提出一种先对视频图像数据进行数据置换加密,再对视频图像的缓存地址进行地址置乱加密的双重加密方法。在数据置换加密中,利用Qi超混沌产生加密用的伪随机序列,并对该序列进行统计测试,提出基于异或、取模、做差、密文闭环反馈等技术的数据置换加密方法,同时给出该加密算法的验证分析。在地址置乱加密中,应用二维非等长Arnold映射对视频图像地址进行加密,该方法具有能够对任意大小视频图像的地址进行加解密的优点。将数据置换和地址置乱两种算法相结合,对视频图像信息进行双重加密,给出双重加密方案的算法安全性验证分析。视频加密利用FPGA硬件处理技术实现。采用模块化设计,流水线操作,分步调试,联合仿真,以及板级验证等操作,完成对基于超混沌的视频加密的总体设计实现。其中,视频信息由数字摄像头实时采集,并显示在VGA显示器上,FPGA与计算机通过串口进行通信,手动输入加解密密钥来分别控制视频信息的加密和解密。本论文给出了视频加密实现结果和采集的视频图像的技术指标,并做了安全性分析。实验结果表明,该超混沌视频加密系统密钥空间大,稳定性好,能够较好地隐藏明文视频信息,达到了预期的加密效果,性能良好可靠,具有一定的应用价值。
【图文】：

指数图,指数,超混沌系统

；（／邋＝邋１，邋２，３，４）为状态变量；ａ，６，邋ｃ，邋Ａ邋ｅ，邋／为正的参数，当取参数逡逑４９邋＜邋ａ邋＜邋５５，邋２０＜邋６邋＜２４，邋ｃ邋＝邋１３，邋＾邋＝邋８，邋ｅ邋＝邋３３，邋／邋＝邋３０逦，该系统是超混沌系统。Ｑｉ逡逑超混沌系统的Ｌｙａｐｕｎｏｖ指数如图２－１所示。其中分别代表系逡逑统的四个Ｌｙａｐｕｎｏｖ指数。目前大多数超混纯系统中最大的正Ｌｙａｐｕｎｏｖ指数一般逡逑小于２，且第二个正的Ｌｙａｐｕｎｏｖ指数也相对较小，从图中可以看出Ｑｉ超混沌系逡逑统的第一个正Ｌｙａｐｕｎｏｖ指数最高可达１３，，第二个正Ｌｙａｐｕｎｏｖ指数最高可达３，逡逑两个较大的正Ｌｙａｐｕｎｏｖ指数表明系统在某些方向上大量地扩张或收缩运动，意逡逑味着系统轨道非常混乱

超混沌系统,相位图,时序图,指数

；（／邋＝邋１，邋２，３，４）为状态变量；ａ，６，邋ｃ，邋Ａ邋ｅ，邋／为正的参数，当取参数逡逑４９邋＜邋ａ邋＜邋５５，邋２０＜邋６邋＜２４，邋ｃ邋＝邋１３，邋＾邋＝邋８，邋ｅ邋＝邋３３，邋／邋＝邋３０逦，该系统是超混沌系统。Ｑｉ逡逑超混沌系统的Ｌｙａｐｕｎｏｖ指数如图２－１所示。其中分别代表系逡逑统的四个Ｌｙａｐｕｎｏｖ指数。目前大多数超混纯系统中最大的正Ｌｙａｐｕｎｏｖ指数一般逡逑小于２，且第二个正的Ｌｙａｐｕｎｏｖ指数也相对较小，从图中可以看出Ｑｉ超混沌系逡逑统的第一个正Ｌｙａｐｕｎｏｖ指数最高可达１３，第二个正Ｌｙａｐｕｎｏｖ指数最高可达３，逡逑两个较大的正Ｌｙａｐｕｎｏｖ指数表明系统在某些方向上大量地扩张或收缩运动，意逡逑味着系统轨道非常混乱
【学位授予单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN918.4;TN791

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