实时彩色视频混沌保密通信系统设计与FPGA实现

摘要

混沌是20世纪重要的科学发现。自1963年Lorenz提出第一个混沌系统以来，引起了国内外研究者的关注。混沌研究从最初的理论阶段，逐渐上升到工程应用中去。特别是近年来混沌科学的飞速发展，混沌系统的理论设计与技术实现越来越受到研究者的青睐。而由于混沌系统的有界遍历性、内部随机性、对初值和系统参数的高度敏感性等特性，正好具备一个优良加密系统所具有的特性，因此越来越多的混沌加密系统被应用到实际工程中去。但过去混沌加密的研究主要局限在音频、图像、文本等实时性要求不高的场合上。而实时采集的视频数据，由于其数据量庞大，实时性要求较高等原因，针对动态视频的加密研究仍是十分不足的。而对于数据量庞大的动态数据，若用软件的方式实现加密，必然会导致耗时长效率低下。因此在本文中，提出采用FPGA这种纯硬件的方式实现对动态视频的混沌加密，利用FPGA的并行处理特性，实现对视频采集、加密、显示的实时性要求。另外我们采用高维混沌序列进行加密处理，因此视频加密系统密钥空间大、能抵御各种统计攻击和差分攻击，并且还具有自同步的特性，使得加密后的视频流具有较高的安全性。
　　本文在对国内外混沌理论应用研究深入了解与思考的基础上，结合目前的技术应用情况，在FPGA开发板上实现了视频混沌加密的算法，并且对系统的安全性进行了测试。本文主要的研究工作如下:
　　1.传统混沌序列发生器的改进。传统的混沌系统所生成的序列是一个基于实数的序列，然而FPGA更适合于处理基于整型的数据。为了加密的实时性和节约开发板上的硬件资源，需要对原本的混沌系统进行改进。并且将改进后的两个整数化混沌序列实现于FPGA开发板上文中详细描述了混沌系统的设计过程。
　　2.给出用于实时彩色视频混沌加密系统算法的设计过程，通过现有离散混沌系统的改进，令其更适用与FPGA硬件平台。同时，对改进后的混沌加密系统进行安全性能的测试。
　　3.基于FPGA技术的视频采集系统的实现。本文简单地介绍整个采集系统的设计流程，以及整个系统的结构框架。整个采集系统主要包括四个模块:AD芯片初始化模块，ITU656解码模块，缓存模块，VGA显示模块。四个模块均由VERILOG语言编写，由主模块整合，完成了自顶向下的设计。
　　4.利用混沌序列密码实现对动态视频的加密与解密。在论文中详述了整个加密系统的工作流程，以及利用FPGA并行操作的特性，运用有限状态机、流水线等硬件结构，完成混沌序列对视频数据的加密。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 本课题研究的背景和意义

1．3 混沌保密通信在国内外研究现状

1．4 论文的研究内容和章节安排

第二章 FPGA技术与开发平台介绍

2．1 FPGA简介

2．2 FPGA的应用

2．3 FPGA的开发流程

2．4 FPGA开发工具

2．4．1 设计输入工具

2．4．2 综合工具

2．4．3 仿真工具

2．5 Virtex Ⅱ Pro硬件开发平台

2．6 本章小结

第三章 混沌信号发生器的设计

3．1 基于Euler算法的连续时间混沌系统离散化

3．1．1 两个典型的连续时间混沌系统

3．1．2 基于Euler算法的离散化

3．1．3 离散混沌方程的整数化处理

3．2 FPGA硬件平台上的混沌信号产生

3．2．1 硬件平台与系统流程

3．2．2 整数域混沌发生器的设计

3．3 仿真与硬件实现结果

3．3．1 仿真结果

3．3．2 硬件实现结果

3．4 本章小结

第四章 混沌加密系统的设计

4．1 离散时间实数域混沌系统

4．1．1 标称系统

4．1．2 受控系统

4．1．3 一个典型实例

4．2 离散时间整数域混沌系统

4．2．1 混沌系统的整数化处理

4．2．2 整数域混沌系统的参数分析

4．3 混沌加密系统仿真

4．4 本章小结

第五章 视频混沌保密通信的设计原理与硬件实现

5．1 视频混沌保密通信系统的设计原理

5．1．1 一轮的视频混沌保密通信系统

5．1．2 多轮的视频混沌保密通信系统

5．2 视频采集系统设计

5．2．1 视频采集系统的总体组成框架

5．2．2 AD芯片初始化

5．2．3 ITU656解码

5．2．4 存储模块

5．2．5 VGA显示模块

5．3 混沌加密系统流程

5．4 系统时序验证

5．5 本章小结

第六章 安全性分析

6．1 视频加密结果与分析

6．2 统计分布分析

6．3 差分分析

6．4 NIST测试结果

6．5 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文、申请专利及获得奖项

声明

致谢