基于FPGA技术的混沌数字图像加密与硬件实现

摘要

当今国内外主要是通过分立元件设计模拟电路来产生混沌信号，然而模拟元器件存在容易老化，受环境影响较大，系统更改不灵活，设备运行与维护都比较麻烦的局限。而数字元件不存在模拟元件难使用，难维护的问题并可以做到参数完全相同，并且精度可控。所以本文采用FPGA这种完全的硬件处理模式，并提出通用的设计方法来产生混沌吸引子。 基于混沌理论的图像加密技术是近年来才发展起来的一种密码技术。混沌现象是非线性系统中出现的确定性的、类随机的过程。它是非周期的、有界的、但不收敛的过程，并对初始条件极为敏感。由于它的这些特性使基于混沌信号的图像加密技术成为热点。但目前混沌加密的手段主要还是局限于计算机仿真，而比较少用硬件来实现。由于数字图像数据量大，传统的软件实现加密必然耗时且效率较低，而硬件电路因其并行高速的优点在实时处理中大受欢迎。本文就是讨论如何采用FPGA这种完全的硬件处理模式来产生混沌信号并对数字图像进行处理。同时由于人们通常研究一维和二维混沌系统进行加密，虽然此类方程具有形式简单，易于实现的特点，但存在密钥空间小，难以抵御穷举攻击等局限。由于高维混沌信号具有更好的随机性，更高的保密性。高维的混沌保密系统的研究已经成为新的研究热点。本文选择的混沌保密系统就是属于高维的。 针对当今进行混沌图像加密的这些特点，在对国内外相关资料的收集、整理、分析和综合之后，对混沌图像加密的方法与加密系统的优化设计进行了研究。 全文主要研究内容包括： 1．基于状态机模式的混沌信号发生器的设计及硬件实现。由于FPGA产生混沌信号必须进行浮点运算，FPGA硬件本身只能作整数运算。所以如何所以在利用FPGA技术产生了混沌信号是一个挑战。该文突破了师兄只能用FPGA实现Lorenz，并且方法不能用于其它系统的局限。由于Lorenz系统可以用来设计驱动响应式同步系统，并用于图像的加密解密，文章以该系统为例，阐述了如何在应用离散化，数字化处理技术和实数处理策略之后，通过状态机模式的编程方法产生混沌吸引子系统的通用设计方法。并对该方法进行总结，使该方法适用于具有三阶二次方程形式的混沌吸引子。同时给出使用该方法产生的混沌吸引子在显波器上的相图。 2．基于FPGA技术的混沌数字图像加密与硬件实现。本论文首先对如何在FPGA的硬件平台上产生静态图像的流程进行了详细说明。接着介绍了FPGA图像加密算法设计原理，并重点对用于图像加密解密的驱动响应式系统的设计方法进行说明，同时阐述如何加入传统的密码学的方法，使得安全性能得到进一步的提高，并论述了它的保密性能和给出硬件的实验结果。最后提出基于FPGA技术的动态图像混沌加密算法设计方案。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2课题的背景与意义

1.3混沌图像加密的国内外现状与发展趋势

1.4本文主要研究内容与章节安排

第二章 混沌与数字图像的基本理论

2.1混沌的基本概念

2.1.1混沌的定义与特征

2.1.2通向混沌的三大途径

2.1.3混沌同步定义及同步方法介绍

2.2数字图像及其加密技术介绍

2.2.1数字图像的分类

2.2.2数字图像加密算法的性能要求及应用领域

2.2.3基于混沌的图像加密技术

2.3本章小结

第三章 现代FPGA设计技术

3.1 FPGA简介

3.2 FPGA的工作原理

3.3 FPGA的开发流程

3.4常用的FPGA开发工具

3.5小结

第四章 基于状态机模式的混沌信号发生器设计

4.1引言

4.2连续混沌系统的离散化与变量比例压缩处理技术

4.3实数处理与数据截取方法

4.4系统开发硬件平台与软件平台

4.5基于状态机模式的混沌吸引子产生器设计

4.6小结

第五章 混沌数字图像加密的FPGA技术实现

5.1基于FPGA技术的混沌静态数字图像加密算法

5.1.1 FPGA产生静态图像的流程

5.1.2静态数字图像的混沌加密算法的实现

5.2基于FPGA技术的动态图像混沌加密算法设计方案

5.2.1视频解码原理

5.2.2 DE2平台上实现动态图像播放

5.2.3动态图像混沌加密算法的设计方案

5.3小结

总结

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文、参加的科研项目

致谢