基于DSP的混沌數字圖像加密與硬件實(shí)現

摘要 介紹了在DSP基礎上，實(shí)現數字圖像的混沌加密及硬件實(shí)現方法。根據離散化和數字化處理技術(shù)，對三維Lorenz混沌系統作離散化處理，用C語(yǔ)言和DSP技術(shù)產(chǎn)生三維Lorenz混沌迭代序列，分別對數字圖像的紅、綠、藍三基色信號進(jìn)行混沌加密和解密。基于芯片型號為T(mén)MS32 0VC5509A的DSP開(kāi)發(fā)平臺，以bmp格式的灰度圖像為例，設計了Lorenz混沌序列對數字圖像進(jìn)行加密與解密算法，給出了DSP硬件實(shí)現結果表明，改善了安全性、提高了速度、滿(mǎn)足了實(shí)時(shí)性要求。
關(guān)鍵詞 Lorenz系統；圖像加密；DSP；混沌加密；硬件實(shí)現

隨著(zhù)計算機及通信技術(shù)的發(fā)展，圖像處理及應用愈加廣泛?，F代DSP技術(shù)的發(fā)展和應用為實(shí)現圖像處理奠定了基礎。高性能的DSP處理器作為圖像處理首選的核心器件，并能通過(guò)軟件編程實(shí)現各種處理算法，提高系統處理能力和擴展系統功能。
近來(lái)混沌的同步控制理論日趨成熟，為混沌在通信中的應用提供了理論基礎?；煦缧盘柕姆侵芷谛赃B續寬帶頻譜，類(lèi)似噪聲的特性。另外，混沌信號對初始條件的高度敏感，即使兩個(gè)完全相同的混沌系統從近乎相同的初始條件開(kāi)始演化，其軌道將很快變得互不相關(guān)，這使得混沌信號具有長(cháng)期不可預測性和抗截獲能力。而且具有多個(gè)正李氏指數的超混沌系統，及復雜的運動(dòng)軌跡，這使得混沌信號具有較高的復雜度。同時(shí)混沌系統本身具有確定性，由非線(xiàn)性系統的方程、參數和初始條件所決定，因此，混沌信號易于產(chǎn)生復制?；煦缧盘柕碾[蔽性、不可預測性、高復雜度和易于實(shí)現等特性都適合于保密通信。與其他加密方法不同的是，混沌加密是一種動(dòng)態(tài)加密方法，由于其處理速度和密鑰長(cháng)度無(wú)關(guān)，因此這種方法的計算效率高、可用于實(shí)時(shí)信號處理和靜態(tài)加密場(chǎng)合。且用此方法加密的信息很難破譯，具有很高的保密度。即使在連續攝動(dòng)存在的情況下，混沌同步效應過(guò)程也是穩定的。特別是在混沌信號上加上一個(gè)較小的信息源，當混合信號傳到接收器上后，由接收器上參數相同的混沌電路捕捉其中主要的混沌分量，可以較好地恢復輸送的信息源。
目前對混沌加密的實(shí)現還局限于計算機仿真，有關(guān)硬件實(shí)現的報道也很少。而用于混沌加密的系統，通常是一維或二維，如Logistic映射等，這類(lèi)系統的方程形式簡(jiǎn)單且易于實(shí)現，但存在密鑰空間小、抵御窮舉攻擊能力差、容易被相空間重構方法進(jìn)行混沌系統識別等問(wèn)題。針對上述問(wèn)題本文提出了用三維Lorenz混沌系統和DSP技術(shù)實(shí)現混沌數字圖像加密及其硬件實(shí)現的新方法。根據離散化和數字化處理技術(shù)，對三維Lorenz系統作離散化處理后，能產(chǎn)生混沌迭代序列。在設計圖像紅、綠、藍三基色信號混沌加密與解密算法的基礎上，利用芯片型號為T(mén)MS320VC5509A的DSP開(kāi)發(fā)平臺，進(jìn)行了8×8的bmp格式灰度圖像加密與解密的硬件實(shí)驗研究，并給出了實(shí)驗結果，其系統框圖如圖1所示。

1 Lorenz系統離散化及DSP硬件實(shí)現
Lorenz系統作為經(jīng)典三維混沌系統，生成的混沌序列有其自身的特點(diǎn)。與一維和二維等低維混沌系統相比，具有更為復雜的混沌動(dòng)力學(xué)行為，產(chǎn)生的混沌序列更不可預測。系統的3個(gè)初始值和3個(gè)參數都可以作為生成加密混沌序列的種子密鑰，產(chǎn)生的密鑰空間大于一維和二維的混沌系統。如果對系統輸出的混沌序列進(jìn)行處理，還可以采用單變量或多變量組合的加密混沌序列，使得序列密碼的設計和應用更加靈活方便。
由于Lorenz系統是三維連續混沌系統，而DSP只能處理數字信號或離散信號，所以要先對連續混沌系統作離散化處理。對混沌系統離散化通常有3種方法。Euler算法、改進(jìn)Euler算法和Runge—Kutta算法。這3種離散化的方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，一些較簡(jiǎn)單的一維和二維混沌系統，常使用精度較高的Runge—Kutta算法，由于受到硬件資源的限制，一般用Euler算法在型號為T(mén)MS320VC5509A的DSP平臺上產(chǎn)生Lorenz混沌序列。
在選擇存儲器時(shí)應從以下方面考慮：首先圖像壓縮算法中間數據量大，要求處理器的片上內存盡可能大，盡量避免對外部存儲器讀寫(xiě)操作。TMS320VC5509A的片上存儲器包括32 k位×16位DARAM，96 k位×16位SARAM，共128 k位的存儲空間。其中DARAM為雙地址，在每個(gè)周期內可以對其進(jìn)行2次操作(2次讀，2次寫(xiě)，1次讀和1次寫(xiě))，這樣增加片上存儲器的利用率。其次，VC5509A片上資源豐富，包括I2C總線(xiàn)，3個(gè)Mc-BSPs。VC5509A采用144引腳LQFP封裝，便于安裝、調試；VC5509A功耗小，工作在200 MHz主頻下，功耗僅100 mW，適合嵌入式應用。
DSP基本系統由獨立的電源系統供電，而硬件平臺的其他器件共用另一套電源供電系統。為了降低系統功耗，DSP一般采用低電壓供電，并且采用I／O和CPU內核分開(kāi)供電方式。TMS320VC5509A不同的工作頻率要求不同的核電壓，200 MHz為1．6 V，144 MHz為1．35V，108 MHz為1．2 V。DSP的I／O電壓為3．3 V。
高速DSP芯片主要特性如下：
(1)低功耗設計，比上一代C54XX器件功耗低約30％。處理速度快，雙核結構，處理速度400MI·s-1。采用超長(cháng)指令結構(VLIW)，單指令字長(cháng)32位。外部時(shí)鐘40 MHz，內部時(shí)鐘20 MHz，所有指令均單周期完成，處理器內部采用高度并行機制，可同時(shí)進(jìn)行多達11項各類(lèi)操作。
(2)兩套相同的外部數據、地址總線(xiàn)，支持局部存儲器和全局共享存儲器。
(3)6個(gè)高速并行通信口，采用異步傳輸方式，最大速率可達20 Mb·s-1。通過(guò)令牌傳遞可靈活實(shí)現數據雙向傳輸，這種結構適合DM642之間的互連。
(4)6個(gè)DMA通道，每個(gè)通道的最大速率可達20 Mb·s-1。DMA內部總線(xiàn)與CPU的地址、數據、指令總線(xiàn)完全分開(kāi)，避開(kāi)了總線(xiàn)使用上的瓶頸。