实时彩色视频混沌保密通信系统设计与FPGA实现

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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。
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