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在DSP基础上实现数字图像的混沌加密及硬件实现方法
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2017-10-30
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介绍了在DSP基础上，实现数字图像的混沌加密及硬件实现方法。根据离散化和数字化处理技术，对三维Lorenz混沌系统作离散化处理，用C语言和DSP技术产生三维Lorenz混沌迭代序列，分别对数字图像的红、绿、蓝三基色信号进行混沌加密和解密。基于芯片型号为TMS32 0VC5509A的DSP开发平台，以bmp格式的灰度图像为例，设计了Lorenz混沌序列对数字图像进行加密与解密算法，给出了DSP硬件实现结果表明，改善了安全性、提高了速度、满足了实时性要求。
关键词： Lorenz系统；图像加密；DSP；混沌加密；硬件实现
随着计算机及通信技术的发展，图像处理及应用愈加广泛。现代DSP技术的发展和应用为实现图像处理奠定了基础。高性能的DSP处理器作为图像处理首选的核心器件，并能通过软件编程实现各种处理算法，提高系统处理能力和扩展系统功能。
近来混沌的同步控制理论日趋成熟，为混沌在通信中的应用提供了理论基础。混沌信号的非周期性连续宽带频谱，类似噪声的特性。另外，混沌信号对初始条件的高度敏感，即使两个完全相同的混沌系统从近乎相同的初始条件开始演化，其轨道将很快变得互不相关，这使得混沌信号具有长期不可预测性和抗截获能力。而且具有多个正李氏指数的超混沌系统，及复杂的运动轨迹，这使得混沌信号具有较高的复杂度。同时混沌系统本身具有确定性，由非线性系统的方程、参数和初始条件所决定，因此，混沌信号易于产生复制。混沌信号的隐蔽性、不可预测性、高复杂度和易于实现等特性都适合于保密通信。与其他加密方法不同的是，混沌加密是一种动态加密方法，由于其处理速度和密钥长度无关，因此这种方法的计算效率高、可用于实时信号处理和静态加密场合。且用此方法加密的信息很难破译，具有很高的保密度。即使在连续摄动存在的情况下，混沌同步效应过程也是稳定的。特别是在混沌信号上加上一个较小的信息源，当混合信号传到接收器上后，由接收器上参数相同的混沌电路捕捉其中主要的混沌分量，可以较好地恢复输送的信息源。
目前对混沌加密的实现还局限于计算机仿真，有关硬件实现的报道也很少。而用于混沌加密的系统，通常是一维或二维，如Logistic映射等，这类系统的方程形式简单且易于实现，但存在密钥空间小、抵御穷举攻击能力差、容易被相空间重构方法进行混沌系统识别等问题。针对上述问题本文提出了用三维Lorenz混沌系统和DSP技术实现混沌数字图像加密及其硬件实现的新方法。根据离散化和数字化处理技术，对三维Lorenz系统作离散化处理后，能产生混沌迭代序列。在设计图像红、绿、蓝三基色信号混沌加密与解密算法的基础上，利用芯片型号为TMS320VC5509A的DSP开发平台，进行了8×8的bmp格式灰度图像加密与解密的硬件实验研究，并给出了实验结果，其系统框图如图1所示。
1 Lorenz系统离散化及DSP硬件实现
Lorenz系统作为经典三维混沌系统，生成的混沌序列有其自身的特点。与一维和二维等低维混沌系统相比，具有更为复杂的混沌动力学行为，产生的混沌序列更不可预测。系统的3个初始值和3个参数都可以作为生成加密混沌序列的种子密钥，产生的密钥空间大于一维和二维的混沌系统。如果对系统输出的混沌序列进行处理，还可以采用单变量或多变量组合的加密混沌序列，使得序列密码的设计和应用更加灵活方便。
由于Lorenz系统是三维连续混沌系统，而DSP只能处理数字信号或离散信号，所以要先对连续混沌系统作离散化处理。对混沌系统离散化通常有3种方法。Euler算法、改进Euler算法和Runge—Kutta算法。这3种离散化的方法各有优缺点，一些较简单的一维和二维混沌系统，常使用精度较高的Runge—Kutta算法，由于受到硬件资源的限制，一般用Euler算法在型号为TMS320VC5509A的DSP平台上产生Lorenz混沌序列。
在选择存储器时应从以下方面考虑：首先图像压缩算法中间数据量大，要求处理器的片上内存尽可能大，尽量避免对外部存储器读写操作。TMS320VC5509A的片上存储器包括32 k位×16位DARAM，96 k位×16位SARAM，共128 k位的存储空间。其中DARAM为双地址，在每个周期内可以对其进行2次操作（2次读，2次写，1次读和1次写），这样增加片上存储器的利用率。其次，VC5509A片上资源丰富，包括I2C总线，3个Mc-BSPs。VC5509A采用144引脚LQFP封装，便于安装、调试；VC5509A功耗小，工作在200 MHz主频下，功耗仅100 mW，适合嵌入式应用。
DSP基本系统由独立的电源系统供电，而硬件平台的其他器件共用另一套电源供电系统。为了降低系统功耗，DSP一般采用低电压供电，并且采用I／O和CPU内核分开供电方式。TMS320VC5509A不同的工作频率要求不同的核电压，200 MHz为1．6 V，144 MHz为1．35V，108 MHz为1．2 V。DSP的I／O电压为3．3 V。
高速DSP芯片主要特性如下：
（1）低功耗设计，比上一代C54XX器件功耗低约30％。处理速度快，双核结构，处理速度400MI·s-1。采用超长指令结构（VLIW），单指令字长32位。外部时钟40 MHz，内部时钟20 MHz，所有指令均单周期完成，处理器内部采用高度并行机制，可同时进行多达11项各类操作。
（2）两套相同的外部数据、地址总线，支持局部存储器和全局共享存储器。
（3）6个高速并行通信口，采用异步传输方式，最大速率可达20 Mb·s-1。通过令牌传递可灵活实现数据双向传输，这种结构适合DM642之间的互连。
（4）6个DMA通道，每个通道的最大速率可达20 Mb·s-1。DMA内部总线与CPU的地址、数据、指令总线完全分开，避开了总线使用上的瓶颈。
综上所述，在选用DSP芯片时，应考虑性能是否满足快速判读算法的要求，即选择那些指令周期短、数据吞吐率高、通信能力强、指令集功能完备的处理器，同时还要兼顾功耗和开发支持环境等因素。本设计采用TI公司的TMS320VC5509A芯片，选择TMS320VC5509A作为主处理器芯片。
关键词： Lorenz系统；图像加密；DSP；混沌加密；硬件实现
随着计算机及通信技术的发展，图像处理及应用愈加广泛。现代DSP技术的发展和应用为实现图像处理奠定了基础。高性能的DSP处理器作为图像处理首选的核心器件，并能通过软件编程实现各种处理算法，提高系统处理能力和扩展系统功能。
近来混沌的同步控制理论日趋成熟，为混沌在通信中的应用提供了理论基础。混沌信号的非周期性连续宽带频谱，类似噪声的特性。另外，混沌信号对初始条件的高度敏感，即使两个完全相同的混沌系统从近乎相同的初始条件开始演化，其轨道将很快变得互不相关，这使得混沌信号具有长期不可预测性和抗截获能力。而且具有多个正李氏指数的超混沌系统，及复杂的运动轨迹，这使得混沌信号具有较高的复杂度。同时混沌系统本身具有确定性，由非线性系统的方程、参数和初始条件所决定，因此，混沌信号易于产生复制。混沌信号的隐蔽性、不可预测性、高复杂度和易于实现等特性都适合于保密通信。与其他加密方法不同的是，混沌加密是一种动态加密方法，由于其处理速度和密钥长度无关，因此这种方法的计算效率高、可用于实时信号处理和静态加密场合。且用此方法加密的信息很难破译，具有很高的保密度。即使在连续摄动存在的情况下，混沌同步效应过程也是稳定的。特别是在混沌信号上加上一个较小的信息源，当混合信号传到接收器上后，由接收器上参数相同的混沌电路捕捉其中主要的混沌分量，可以较好地恢复输送的信息源。
目前对混沌加密的实现还局限于计算机仿真，有关硬件实现的报道也很少。而用于混沌加密的系统，通常是一维或二维，如Logistic映射等，这类系统的方程形式简单且易于实现，但存在密钥空间小、抵御穷举攻击能力差、容易被相空间重构方法进行混沌系统识别等问题。针对上述问题本文提出了用三维Lorenz混沌系统和DSP技术实现混沌数字图像加密及其硬件实现的新方法。根据离散化和数字化处理技术，对三维Lorenz系统作离散化处理后，能产生混沌迭代序列。在设计图像红、绿、蓝三基色信号混沌加密与解密算法的基础上，利用芯片型号为TMS320VC5509A的DSP开发平台，进行了8×8的bmp格式灰度图像加密与解密的硬件实验研究，并给出了实验结果，其系统框图如图1所示。
1 Lorenz系统离散化及DSP硬件实现
Lorenz系统作为经典三维混沌系统，生成的混沌序列有其自身的特点。与一维和二维等低维混沌系统相比，具有更为复杂的混沌动力学行为，产生的混沌序列更不可预测。系统的3个初始值和3个参数都可以作为生成加密混沌序列的种子密钥，产生的密钥空间大于一维和二维的混沌系统。如果对系统输出的混沌序列进行处理，还可以采用单变量或多变量组合的加密混沌序列，使得序列密码的设计和应用更加灵活方便。
由于Lorenz系统是三维连续混沌系统，而DSP只能处理数字信号或离散信号，所以要先对连续混沌系统作离散化处理。对混沌系统离散化通常有3种方法。Euler算法、改进Euler算法和Runge—Kutta算法。这3种离散化的方法各有优缺点，一些较简单的一维和二维混沌系统，常使用精度较高的Runge—Kutta算法，由于受到硬件资源的限制，一般用Euler算法在型号为TMS320VC5509A的DSP平台上产生Lorenz混沌序列。
在选择存储器时应从以下方面考虑：首先图像压缩算法中间数据量大，要求处理器的片上内存尽可能大，尽量避免对外部存储器读写操作。TMS320VC5509A的片上存储器包括32 k位×16位DARAM，96 k位×16位SARAM，共128 k位的存储空间。其中DARAM为双地址，在每个周期内可以对其进行2次操作（2次读，2次写，1次读和1次写），这样增加片上存储器的利用率。其次，VC5509A片上资源丰富，包括I2C总线，3个Mc-BSPs。VC5509A采用144引脚LQFP封装，便于安装、调试；VC5509A功耗小，工作在200 MHz主频下，功耗仅100 mW，适合嵌入式应用。
DSP基本系统由独立的电源系统供电，而硬件平台的其他器件共用另一套电源供电系统。为了降低系统功耗，DSP一般采用低电压供电，并且采用I／O和CPU内核分开供电方式。TMS320VC5509A不同的工作频率要求不同的核电压，200 MHz为1．6 V，144 MHz为1．35V，108 MHz为1．2 V。DSP的I／O电压为3．3 V。
高速DSP芯片主要特性如下：
（1）低功耗设计，比上一代C54XX器件功耗低约30％。处理速度快，双核结构，处理速度400MI·s-1。采用超长指令结构（VLIW），单指令字长32位。外部时钟40 MHz，内部时钟20 MHz，所有指令均单周期完成，处理器内部采用高度并行机制，可同时进行多达11项各类操作。
（2）两套相同的外部数据、地址总线，支持局部存储器和全局共享存储器。
（3）6个高速并行通信口，采用异步传输方式，最大速率可达20 Mb·s-1。通过令牌传递可灵活实现数据双向传输，这种结构适合DM642之间的互连。
（4）6个DMA通道，每个通道的最大速率可达20 Mb·s-1。DMA内部总线与CPU的地址、数据、指令总线完全分开，避开了总线使用上的瓶颈。
综上所述，在选用DSP芯片时，应考虑性能是否满足快速判读算法的要求，即选择那些指令周期短、数据吞吐率高、通信能力强、指令集功能完备的处理器，同时还要兼顾功耗和开发支持环境等因素。本设计采用TI公司的TMS320VC5509A芯片，选择TMS320VC5509A作为主处理器芯片。
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