CN107395338A - 基于非线性标称矩阵的视频混沌保密通信设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种基于非线性标称矩阵的视频混沌保密通信设备及方法，该设备包括：视频发送端和视频接收端；视频发送端中的混沌加密模块，用于利用预设的混沌加密算法以及基于非线性标称矩阵产生的混沌加密密钥，对原始视频数据进行加密处理；视频接收端中的混沌解密模块，用于利用预设的混沌解密算法以及基于非线性标称矩阵产生的混沌解密密钥，对加密数据进行解密处理，得到相应的解密数据。本申请实现了在硬件平台上对视频数据进行实时混沌保密通信的目的，有利于加快视频混沌保密通信技术的日常应用及商业推广。与此同时，本申请利用基于非线性标称矩阵产生的混沌加解密密钥来进行数据的加解密处理，能够更好地提升数据的安全性。

Description

基于非线性标称矩阵的视频混沌保密通信设备及方法
技术领域
本发明涉及视频通信技术领域，特别涉及一种基于非线性标称矩阵的视频混沌保密通信设备及方法。
背景技术
随着多媒体时代的快速发展，人们对视频内容的质量和数量的要求越来越高，与此同时，人们对视频通信过程的安全性的要求也越来越高。为了适应人们对视频安全性的实际需求，近几年来视频保密通信技术成为了非常热门的研究课题。
然而，当前人们在研究对安全性以及实时性均要求较高的视频加密通信技术时，例如在研究混沌保密通信技术时，通常都是采用数值仿真来展开研究，至今还没有在硬件平台上实现对视频数据的实时混沌保密通信，从而不利于视频混沌保密通信技术的日常应用及商业推广。
综上所述可以看出，如何在硬件平台上实现对视频数据的实时混沌保密通信是当前还有待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于非线性标称矩阵的视频混沌保密通信设备及方法，能够在硬件平台上实现对视频数据的实时混沌保密通信，并且有利于提升数据的安全性。其具体方案如下：
一种基于非线性标称矩阵的视频混沌保密通信设备，包括视频发送端和视频接收端；所述视频发送端包括第一SOC芯片、第一内存缓冲区以及数据发送装置，所述视频接收端包括第二SOC芯片、第二内存缓冲区以及数据接收装置；所述第一SOC芯片包括第一FPGA和第一ARM，所述第二SOC芯片包括第二FPGA和第二ARM；所述第一FPGA包括第一VDMA以及采用AXIS协议作为接口协议的混沌加密模块，所述第二FPGA包括第二VDMA以及采用AXIS协议作为接口协议的混沌解密模块；其中，
所述混沌加密模块，用于通过所述第一VDMA获取原始视频数据，利用预设的混沌加密算法以及基于非线性标称矩阵产生的混沌加密密钥，对所述原始视频数据进行加密处理，并通过所述第一VDMA将加密处理后得到的加密数据传输至所述第一内存缓冲区进行保存；
所述第一ARM，用于从所述第一内存缓冲区中读取出所述加密数据，并通过所述数据发送装置将所述加密数据发送至所述数据接收装置；
所述第二ARM，用于获取所述数据接收装置传输的所述加密数据，并将所述加密数据传输至所述第二内存缓冲区进行保存；
所述混沌解密模块，用于通过所述第二VDMA获取保存在所述第二内存缓冲区的所述加密数据，利用预设的混沌解密算法以及基于所述非线性标称矩阵产生的混沌解密密钥，对所述加密数据进行解密处理，得到相应的解密数据。
可选的，所述非线性标称矩阵中的任一元素的表达式为：
Fij(p(k))＝aij+bij(cijp(k)-Round(cijp(k)))
式中，p(k)表示8位二进制的加密数据，以p(k)为ROM查找表的地址，以Fij(p(k))为查找内容，其中，ROM查找表的数量为n×n个，i＝j＝1，2…n，函数常量系数aij，bij，cij均为混沌密钥的密钥参数，Round表示取整运算。
可选的，所述混沌加密模块和所述混沌解密模块中的AXIS协议接口所涉及的信号均包括tvalid、tdata、tuser、tlast以及tready信号；
其中，tvalid和tready为相应的通信双方之间的握手信号，并且，在高电平情况下启动tdata、tuser和tlast信号进行通信，在低电平情况下则暂停数据通信。
可选的，所述混沌加密模块和所述混沌解密模块中的信号通道均为并行通道。
可选的，所述混沌加密模块和所述混沌解密模块中的每个信号通道均具备多级流水线结构。
可选的，所述视频发送端还包括与所述第一VDMA连接的第三内存缓冲区；所述第一FPGA还包括视频采集卡和第三VDMA；所述视频接收端还包括与所述第二VDMA连接的第四内存缓冲区；所述第二FPGA还包括第四VDMA；其中，
所述第三VDMA，用于将所述视频采集卡采集到的所述原始视频数据传输至所述第三内存缓冲区进行保存，以便所述第一VDMA从所述第三内存缓冲区中获取所述原始视频数据；
所述第四内存缓冲区，用于通过所述第二VDMA获取所述混沌解密模块得到的所述解密数据，并对所述解密数据进行保存；
所述第四VDMA，用于将位于所述第四内存缓冲区中的所述解密数据传输至显示器进行显示。
本发明还相应公开了一种基于非线性标称矩阵的视频混沌保密通信方法，应用于基于非线性标称矩阵的视频混沌保密通信设备；其中，所述视频混沌保密通信设备包括视频发送端和视频接收端；所述视频发送端包括第一SOC芯片、第一内存缓冲区以及数据发送装置，所述视频接收端包括第二SOC芯片、第二内存缓冲区以及数据接收装置；所述第一SOC芯片包括第一FPGA和第一ARM，所述第二SOC芯片包括第二FPGA和第二ARM；所述第一FPGA包括第一VDMA以及采用AXIS协议作为接口协议的混沌加密模块，所述第二FPGA包括第二VDMA以及采用AXIS协议作为接口协议的混沌解密模块；其中，所述方法包括：
所述混沌加密模块通过所述第一VDMA获取原始视频数据，并利用预设的混沌加密算法以及基于非线性标称矩阵产生的混沌加密密钥，对所述原始视频数据进行加密处理，然后通过所述第一VDMA将加密处理后得到的加密数据传输至所述第一内存缓冲区进行保存；
所述第一ARM从所述第一内存缓冲区中读取出所述加密数据，并通过所述数据发送装置将所述加密数据发送至所述数据接收装置；
所述第二ARM获取所述数据接收装置传输的所述加密数据，并将所述加密数据传输至所述第二内存缓冲区进行保存；
所述混沌解密模块通过所述第二VDMA获取保存在所述第二内存缓冲区的所述加密数据，并利用预设的混沌解密算法以及基于所述非线性标称矩阵产生的混沌解密密钥，对所述加密数据进行解密处理，得到相应的解密数据。
可选的，所述非线性标称矩阵中的任一元素的表达式为：
Fij(p(k))＝aij+bij(cijp(k)-Round(cijp(k)))
式中，p(k)表示8位二进制的加密数据，以p(k)为ROM查找表的地址，以Fij(p(k))为查找内容，其中，ROM查找表的数量为n×n个，i＝j＝1，2…n，函数常量系数aij，bij，cij均为混沌密钥的密钥参数，Round表示取整运算。
可选的，所述混沌加密模块和所述混沌解密模块中的AXIS协议接口所涉及的信号均包括tvalid、tdata、tuser、tlast以及tready信号；
其中，tvalid和tready为相应的通信双方之间的握手信号，并且，在高电平情况下启动tdata、tuser和tlast信号进行通信，在低电平情况下则暂停数据通信。
可选的，所述视频发送端还包括与所述第一VDMA连接的第三内存缓冲区；所述第一FPGA还包括视频采集卡和第三VDMA；所述视频接收端还包括与所述第二VDMA连接的第四内存缓冲区；所述第二FPGA还包括第四VDMA；其中，所述方法还包括：
所述第三VDMA将所述视频采集卡采集到的所述原始视频数据传输至所述第三内存缓冲区进行保存，以便所述第一VDMA从所述第三内存缓冲区中获取所述原始视频数据；
所述第四内存缓冲区通过所述第二VDMA获取所述混沌解密模块得到的所述解密数据，并对所述解密数据进行保存；
所述第四VDMA将位于所述第四内存缓冲区中的所述解密数据传输至显示器进行显示。
可见，本发明在位于SOC芯片内部的FPGA中安置了采用AXIS协议作为接口协议的混沌加/解密模块以及相应的VDMA，另外，SOC芯片中还设有相应的ARM，这样，通过VDMA可以实现FPGA以及内存缓冲区之间的数据传送，通过FPGA中的混沌加/解密模块则可以完成相应的混沌加/解密处理，而通过ARM则可以进行相应的内存读写操作，以完成后续的数据收发过程，由此，本发明实现了在硬件平台上对视频数据进行实时混沌保密通信的目的，有利于加快视频混沌保密通信技术的日常应用及商业推广，具有巨大的商业应用价值。与此同时，本发明利用基于非线性标称矩阵产生的混沌加解密密钥来进行数据的加解密处理，由于相对于现有技术中基于线性标称矩阵产生的混沌序列，非线性标称矩阵所产生的混沌序列具有周期长和随机特性好的特点，能够更好地提升数据的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例公开的一种基于非线性标称矩阵的视频混沌保密通信设备结构示意图；
图2为本发明实施例公开的一种具体的基于非线性标称矩阵的视频混沌保密通信设备硬件结构示意图；
图3为本发明实施例公开的混沌加密模块示意图；
图4为本发明实施例公开的混沌解密模块示意图；
图5为本发明实施例公开的混沌加密运算子模块示意图；
图6为本发明实施例公开的混沌解密运算子模块示意图；
图7为本发明实施例公开的输入端AXIS接口协议示意图；
图8为本发明实施例公开的输出端AXIS接口协议示意图；
图9为本发明实施例公开的一种基于非线性标称矩阵的视频混沌保密通信方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种基于非线性标称矩阵的视频混沌保密通信设备，参见图1所示，该设备包括视频发送端和视频接收端；视频发送端包括第一SOC芯片1、第一内存缓冲区2以及数据发送装置3，视频接收端包括第二SOC芯片4、第二内存缓冲区5以及数据接收装置6；第一SOC芯片1包括第一FPGA11和第一ARM12，第二SOC芯片4包括第二FPGA41和第二ARM42；第一FPGA11包括第一VDMA111以及采用AXIS协议作为接口协议的混沌加密模块112，第二FPGA41包括第二VDMA411以及采用AXIS协议作为接口协议的混沌解密模块412；其中，
混沌加密模块112，用于通过第一VDMA111获取原始视频数据，利用预设的混沌加密算法以及基于非线性标称矩阵产生的混沌加密密钥，对原始视频数据进行加密处理，并通过第一VDMA111将加密处理后得到的加密数据传输至第一内存缓冲区2进行保存；
第一ARM12，用于从第一内存缓冲区2中读取出加密数据，并通过数据发送装置3将加密数据发送至数据接收装置6；
第二ARM42，用于获取数据接收装置6传输的加密数据，并将加密数据传输至第二内存缓冲区5进行保存；
混沌解密模块412，用于通过第二VDMA411获取保存在第二内存缓冲区5的加密数据，利用预设的混沌解密算法以及基于非线性标称矩阵产生的混沌解密密钥，对加密数据进行解密处理，得到相应的解密数据。
本实施例中，上述非线性标称矩阵中的任一元素的表达式具体为：
Fij(p(k))＝aij+bij(cijp(k)-Round(cijp(k)))
式中，p(k)表示8位二进制的加密数据，以p(k)为ROM查找表的地址，以Fij(p(k))为查找内容，其中，ROM查找表的数量为n×n个，i＝j＝1，2…n，函数常量系数aij，bij，cij均为混沌密钥的密钥参数，Round表示取整运算。
另外，上述混沌加密模块112和混沌解密模块412中的AXIS协议接口所涉及的信号均包括tvalid、tdata、tuser、tlast以及tready信号；
其中，tvalid和tready为相应的通信双方之间的握手信号，并且，在高电平情况下启动tdata、tuser和tlast信号进行通信，在低电平情况下则暂停数据通信。
进一步的，本实施例中的混沌加密模块112和混沌解密模块412中的信号通道均为并行通道。
本实施例中，上述混沌加密模块112和混沌解密模块412中的每个信号通道均具备多级流水线结构。
进一步的，本实施例中的视频发送端还包括与第一VDMA连接的第三内存缓冲区；第一FPGA还包括视频采集卡和第三VDMA；视频接收端还包括与第二VDMA连接的第四内存缓冲区；第二FPGA还包括第四VDMA；其中，
第三VDMA，用于将视频采集卡采集到的原始视频数据传输至第三内存缓冲区进行保存，以便第一VDMA从第三内存缓冲区中获取原始视频数据；
第四内存缓冲区，用于通过第二VDMA获取混沌解密模块得到的解密数据，并对解密数据进行保存；
第四VDMA，用于将位于第四内存缓冲区中的解密数据传输至显示器进行显示。
可见，本发明实施例在位于SOC芯片内部的FPGA中安置了采用AXIS协议作为接口协议的混沌加/解密模块以及相应的VDMA，另外，SOC芯片中还设有相应的ARM，这样，通过VDMA可以实现FPGA以及内存缓冲区之间的数据传送，通过FPGA中的混沌加/解密模块则可以完成相应的混沌加/解密处理，而通过ARM则可以进行相应的内存读写操作，以完成后续的数据收发过程，由此，本发明实现了在硬件平台上对视频数据进行实时混沌保密通信的目的，有利于加快视频混沌保密通信技术的日常应用及商业推广，具有巨大的商业应用价值。与此同时，本发明实施例利用基于非线性标称矩阵产生的混沌加解密密钥来进行数据的加解密处理，由于相对于现有技术中基于线性标称矩阵产生的混沌序列，非线性标称矩阵所产生的混沌序列具有周期长和随机特性好的特点，能够更好地提升数据的安全性。
参见图2所示，本发明实施例公开了一种具体的基于非线性标称矩阵的视频混沌保密通信设备，在该设备的硬件环境中，具体选用了两套SOC嵌入式平台分别作为视频发送端和视频接收端，两端之间通过千兆以太网接口RJ45与路由连接形成局域网，IP地址分别配置为192.168.1.100和192.168.1.101，平台采用HDMI接口显示，采用并口完成视频采集，采用USB完成程序下载。在搭建完上述硬件环境的基础上，还需要进一步建立系统的软件环境，具体是在Win7操作系统下安装vivado 2014.4.1开发工具用于FPGA设计，安装相同版本的SDK开发工具用于ARM软件开发。通过FPGA设计生成bitstream文件，通过软件编程生成elf文件，先下载bitstream文件，再下载elf文件，完成系统的启动。
图2示出了硬件系统配置原理和SOC片上架构，系统内存分配缓冲区1～4，每个缓冲区具有3个帧缓存能够同时存储3帧视频，在视频清晰度为320×240的条件下，帧缓存容量为300KB。在FPGA中设计VDMA 1～4，通过配置其读写通道的行寄存器MM2S_HSIZE、列寄存器MM2S_VSIZE和指针寄存器S2MM_START_ADDRESS，实现VDMA模块对缓冲区视频的存取和传送。
视频的存取和传送过程涉及到帧同步和读写同步控制。帧同步指VDMA能够正确判别视频帧的边界。读写同步指VDMA读写通道在操作相同缓冲区时应当保持的时序关系，要求读通道的操作应当滞后于写通道至少一个帧缓存，以防止帧缓存的读写冲突。VDMA帧同步有tuser和fsync两种模式，tuser模式下的同步是以AXIS协议信号tuser进行触发控制，fsync模式下的同步是以外部脉冲信号进行触发控制。VDMA 1～4的读通道采用tuser模式，写通道采用fsync模式。VDMA读写同步有dynamic master和dynamic slave两种模式，当读写通道操作相同缓冲区的情况下，写通道配置为dynamic master模式，读通到配置为dynamic slave模式，此时如果读写通道分属于不同VDMA模块时，还需要将写通道的帧缓存指针输出信号frame_ptr_out连接到读通道的指针输入信号frame_ptr_in。如图2所示，操作相同缓冲区的读写通道必须进行读写同步模式的配置，特别是VDMA1写通道和VDMA2读通道之间、VDMA3写通道和VDMA4读通道之间还需要进一步连接指针信号。
图3和图4分别示出了混沌加密模块和混沌解密模块。模块的输入输出采用AXIS接口协议进行通信。输入端协议信号有tvalid、tdata、tuser、tlast四个输入信号和tready输出信号；输出端有tvalid、tdata、tuser、tlast四个输出信号和tready输入信号。握手信号tvalid＝tready＝1情况下模块之间开始传送tdata、tuser和tlast信号，其他情况下暂停传送。tdata为4字节宽度的数据总线用于视频信号的传送，tuser和tlast为脉冲信号分别标识帧同步和行同步，tuser＝1表示当前tdata数据总线传送视频帧的第一个像素，同理，tlast＝1表示传送视频行最后一个像素。
本实施例中，加解密模块具有并行多通道和流水线结构。并行通道包括同步信号tuser&tlast通道，串行数据信号datax通道，数据标识信号flagx通道和计数器进位信号coutx通道，其中x表示流水线的级数。tuser&tlast通道和datax通道的级数x＝6，flagx通道和coutx通道的级数x＝3。在系统时钟上升沿的触发下流水线信号向下一级跳变。图中！full信号为流水线全局使能信号，！full＝1使能流水线正常工作。flagx为视频数据datax的有效性标识信号，flugx＝1使能datax的加密和解密处理。
本实施例中，加解密模块具有串并转换结构。在第1级流水中通过选择器和计数器实现了并行转串行的功能；在第3级至第6级流水线中通过移位寄存器实现了串行转并行功能。4选1选择器为4字节输入1字节输出，选择信号Q_sel由2位计数值控制。进位信号coutQ经过延迟输出以满足并行通道间的时序要求。
在本发明实施例中，基于非线性标称矩阵实现了3维混沌反控制系统，发送端和接收端对应的数学表达式分别为：
发送端：
接收端：
式中和i＝1，2，3分别为发送端和接收端的状态变量，Fij为非线性标称矩阵[A]n×n的元素，其表达式如下所示：
Fij(p(k))＝aij|bij(cijp(k) Round(cijp(k)))
式中，函数常量系数aij，bij，cij为混沌密码的密钥参数，Round为取整运算；控制器g1(x(k))＝ε·sin(σ·x(k))。
其中，混沌密钥参数具体如下式所示：
在FPGA设计过程中，状态变量和密钥参数具体可以采用有符号64位Q32的格式表示，乘法和加法运算采用FPGA的DSP资源以定点运算的方式实现。采用深度为256的ROM存储器资源实现查找表，将弧度θ＝σ·p(k)和g1(p(k))＝sin(σ·p(k))相对应，p(k)和Fij(p(k))，i＝1，2，3相对应，分别编制为二维表格并转换为成扩展名为.core的文件，导入ROM存储器中可实现查找表功能。
密文p(k)为混沌序列与明文进行异或运算得到，其数学表达式为
对于解密方程有：
其中k＝1，2…n，mk和为原始视频信号和解密视频信号，Sk和为加密方程和解密方程迭代产生的密钥序列。在参数匹配条件下则解密成功，否则解密失败。图5中data1和data2为原始视频信号和加密视频信号，分别对应上述mk和p(k)；图6中data1和data2分别对应上述p(k)和
本实施例中，输入端和输出端AXIS接口协议的原理图分别如图7和图8所示，包括FIFO存储器、协议接口和流水线接口三部分。
其中，FIFO存储器具有34位的存储单元和2n-1的存储空间。存储单元由协议信号tdata、tuser和tlast合并而成。增大n有利于提升速度却不利于节省资源，本发明实施例选取n＝11从而获得1024个存储单元。
另外，协议接口实现了AXIS协议功能和数据通信，通过对FIFO读地址rd_ptr[n：0]和写地址wr_ptr[n：0]实施逻辑运算得到了相应的握手信号tvalid和tready。其中读写地址有效空间为2n-1，第n位仅用于逻辑运算而不作为地址信号。当rd_ptr[n：0]＝wr_ptr[n：0]情况下，FIFO存储器为空状态，图7中tready＝1，表示准备接收，图8中tvalid＝0，表示无数据输出；当满足rd_ptr[n：0]≠wr_ptr[n：0]和rd_pir[n-1：0]＝wr_ptr[n-1：0]时，FIFO存储器为满状态，图7中tready＝0，表示停止接收：图8中tvalid＝1，表示有数据输出；当满足rd_ptr[n-1：0]≠wr_ptr[n-1：0]时，FIFO存储器为非空非满状态，图7、8中tready＝1、tvalid＝1。图8中存储器满标志信号full经过取反运算得到！full信号，作为图3-4中流水线的全局使能信号。
流水线接口实现了存储器与流水线之间的数据通信。图7中存储器输出的dataout信号拆分后进入datax通道和tuser&tlast通道，其有效性标志信号flag0进入flagx通道。如图3-4所示，当满足flag1＝1时标志信号使能加密方程和解密方程对data1进行处理；当满足flag1＝0时不做处理。图8存储器输入的datain信号由图3-4中的datax通道和tuser&tlast通道的信号合并而成。当满足有效性标志信号flag3＝1、进位信号cout3＝1和存储器满标识信号full＝0时，datain信号才进行存储。
相应的，本发明实施例还公开了一种基于非线性标称矩阵的视频混沌保密通信方法，应用于基于非线性标称矩阵的视频混沌保密通信设备；其中，视频混沌保密通信设备包括视频发送端和视频接收端；视频发送端包括第一SOC芯片、第一内存缓冲区以及数据发送装置，视频接收端包括第二SOC芯片、第二内存缓冲区以及数据接收装置；第一SOC芯片包括第一FPGA和第一ARM，第二SOC芯片包括第二FPGA和第二ARM；第一FPGA包括第一VDMA以及采用AXIS协议作为接口协议的混沌加密模块，第二FPGA包括第二VDMA以及采用AXIS协议作为接口协议的混沌解密模块；参见图9所示，上述方法包括：
步骤S11：混沌加密模块通过第一VDMA获取原始视频数据，并利用预设的混沌加密算法以及基于非线性标称矩阵产生的混沌加密密钥，对原始视频数据进行加密处理，然后通过第一VDMA将加密处理后得到的加密数据传输至第一内存缓冲区进行保存；
步骤S12：第一ARM从第一内存缓冲区中读取出加密数据，并通过数据发送装置将加密数据发送至数据接收装置；
步骤S13：第二ARM获取数据接收装置传输的加密数据，并将加密数据传输至第二内存缓冲区进行保存；
步骤S14：混沌解密模块通过第二VDMA获取保存在第二内存缓冲区的加密数据，并利用预设的混沌解密算法以及基于非线性标称矩阵产生的混沌解密密钥，对加密数据进行解密处理，得到相应的解密数据。
具体的，上述非线性标称矩阵中的任一元素的表达式为：
Fij(p(k))＝aij+bij(cijp(k)-Round(cijp(k)))
式中，p(k)表示8位二进制的加密数据，以p(k)为ROM查找表的地址，以Fij(p(k))为查找内容，其中，ROM查找表的数量为n×n个，i＝j＝1，2…n，函数常量系数aij，bij，cij均为混沌密钥的密钥参数，Round表示取整运算。
另外，上述混沌加密模块和混沌解密模块中的AXIS协议接口所涉及的信号均包括tvalid、tdata、tuser、tlast以及tready信号；
其中，tvalid和tready为相应的通信双方之间的握手信号，并且，在高电平情况下启动tdata、tuser和tlast信号进行通信，在低电平情况下则暂停数据通信。
进一步的，视频发送端还包括与第一VDMA连接的第三内存缓冲区；第一FPGA还包括视频采集卡和第三VDMA；视频接收端还包括与第二VDMA连接的第四内存缓冲区；第二FPGA还包括第四VDMA；其中，上述方法还包括：
第三VDMA将视频采集卡采集到的原始视频数据传输至第三内存缓冲区进行保存，以便第一VDMA从第三内存缓冲区中获取原始视频数据；
第四内存缓冲区通过第二VDMA获取混沌解密模块得到的解密数据，并对解密数据进行保存；
第四VDMA将位于第四内存缓冲区中的解密数据传输至显示器进行显示。
关于上述各个步骤更加详细的过程可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。
可见，本发明实施例在位于SOC芯片内部的FPGA中安置了采用AXIS协议作为接口协议的混沌加/解密模块以及相应的VDMA，另外，SOC芯片中还设有相应的ARM，这样，通过VDMA可以实现FPGA以及内存缓冲区之间的数据传送，通过FPGA中的混沌加/解密模块则可以完成相应的混沌加/解密处理，而通过ARM则可以进行相应的内存读写操作，以完成后续的数据收发过程，由此，本发明实现了在硬件平台上对视频数据进行实时混沌保密通信的目的，有利于加快视频混沌保密通信技术的日常应用及商业推广，具有巨大的商业应用价值。与此同时，本发明实施例利用基于非线性标称矩阵产生的混沌加解密密钥来进行数据的加解密处理，由于相对于现有技术中基于线性标称矩阵产生的混沌序列，非线性标称矩阵所产生的混沌序列具有周期长和随机特性好的特点，能够更好地提升数据的安全性。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的一种基于非线性标称矩阵的视频混沌保密通信设备及方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于非线性标称矩阵的视频混沌保密通信设备，其特征在于，包括视频发送端和视频接收端；所述视频发送端包括第一SOC芯片、第一内存缓冲区以及数据发送装置，所述视频接收端包括第二SOC芯片、第二内存缓冲区以及数据接收装置；所述第一SOC芯片包括第一FPGA和第一ARM，所述第二SOC芯片包括第二FPGA和第二ARM；所述第一FPGA包括第一VDMA以及采用AXIS协议作为接口协议的混沌加密模块，所述第二FPGA包括第二VDMA以及采用AXIS协议作为接口协议的混沌解密模块；其中，
所述混沌加密模块，用于通过所述第一VDMA获取原始视频数据，利用预设的混沌加密算法以及基于非线性标称矩阵产生的混沌加密密钥，对所述原始视频数据进行加密处理，并通过所述第一VDMA将加密处理后得到的加密数据传输至所述第一内存缓冲区进行保存；
所述第一ARM，用于从所述第一内存缓冲区中读取出所述加密数据，并通过所述数据发送装置将所述加密数据发送至所述数据接收装置；
所述第二ARM，用于获取所述数据接收装置传输的所述加密数据，并将所述加密数据传输至所述第二内存缓冲区进行保存；
所述混沌解密模块，用于通过所述第二VDMA获取保存在所述第二内存缓冲区的所述加密数据，利用预设的混沌解密算法以及基于所述非线性标称矩阵产生的混沌解密密钥，对所述加密数据进行解密处理，得到相应的解密数据。
2.根据权利要求1所述的基于非线性标称矩阵的视频混沌保密通信设备，其特征在于，所述非线性标称矩阵中的任一元素的表达式为：
Fij(p(k))＝aij+bij(cijp(k)-Round(cijp(k)))
式中，p(k)表示8位二进制的加密数据，以p(k)为ROM查找表的地址，以Fij(p(k))为查找内容，其中，ROM查找表的数量为n×n个，i＝j＝1，2…n，函数常量系数aij，bij，cij均为混沌密钥的密钥参数，Round表示取整运算。
3.根据权利要求2所述的基于非线性标称矩阵的视频混沌保密通信设备，其特征在于，所述混沌加密模块和所述混沌解密模块中的AXIS协议接口所涉及的信号均包括tvalid、tdata、tuser、tlast以及tready信号；
其中，tvalid和tready为相应的通信双方之间的握手信号，并且，在高电平情况下启动tdata、tuser和tlast信号进行通信，在低电平情况下则暂停数据通信。
4.根据权利要求3所述的视频混沌保密通信设备，其特征在于，所述混沌加密模块和所述混沌解密模块中的信号通道均为并行通道。
5.根据权利要求4所述的视频混沌保密通信设备，其特征在于，所述混沌加密模块和所述混沌解密模块中的每个信号通道均具备多级流水线结构。
6.根据权利要求1至5任一项所述的视频混沌保密通信设备，其特征在于，所述视频发送端还包括与所述第一VDMA连接的第三内存缓冲区；所述第一FPGA还包括视频采集卡和第三VDMA；所述视频接收端还包括与所述第二VDMA连接的第四内存缓冲区；所述第二FPGA还包括第四VDMA；其中，
所述第三VDMA，用于将所述视频采集卡采集到的所述原始视频数据传输至所述第三内存缓冲区进行保存，以便所述第一VDMA从所述第三内存缓冲区中获取所述原始视频数据；
所述第四内存缓冲区，用于通过所述第二VDMA获取所述混沌解密模块得到的所述解密数据，并对所述解密数据进行保存；
所述第四VDMA，用于将位于所述第四内存缓冲区中的所述解密数据传输至显示器进行显示。
7.一种基于非线性标称矩阵的视频混沌保密通信方法，其特征在于，应用于基于非线性标称矩阵的视频混沌保密通信设备；其中，所述视频混沌保密通信设备包括视频发送端和视频接收端；所述视频发送端包括第一SOC芯片、第一内存缓冲区以及数据发送装置，所述视频接收端包括第二SOC芯片、第二内存缓冲区以及数据接收装置；所述第一SOC芯片包括第一FPGA和第一ARM，所述第二SOC芯片包括第二FPGA和第二ARM；所述第一FPGA包括第一VDMA以及采用AXIS协议作为接口协议的混沌加密模块，所述第二FPGA包括第二VDMA以及采用AXIS协议作为接口协议的混沌解密模块；其中，所述方法包括：
所述混沌加密模块通过所述第一VDMA获取原始视频数据，并利用预设的混沌加密算法以及基于非线性标称矩阵产生的混沌加密密钥，对所述原始视频数据进行加密处理，然后通过所述第一VDMA将加密处理后得到的加密数据传输至所述第一内存缓冲区进行保存；
所述第一ARM从所述第一内存缓冲区中读取出所述加密数据，并通过所述数据发送装置将所述加密数据发送至所述数据接收装置；
所述第二ARM获取所述数据接收装置传输的所述加密数据，并将所述加密数据传输至所述第二内存缓冲区进行保存；
所述混沌解密模块通过所述第二VDMA获取保存在所述第二内存缓冲区的所述加密数据，并利用预设的混沌解密算法以及基于所述非线性标称矩阵产生的混沌解密密钥，对所述加密数据进行解密处理，得到相应的解密数据。
8.根据权利要求7所述的基于非线性标称矩阵的视频混沌保密通信方法，其特征在于，所述非线性标称矩阵中的任一元素的表达式为：
Fij(p(k))＝aij+bij(cijp(k)-Round(cijp(k)))
式中，p(k)表示8位二进制的加密数据，以p(k)为ROM查找表的地址，以Fij(p(k))为查找内容，其中，ROM查找表的数量为n×n个，i＝j＝1，2…n，函数常量系数aij，bij，cij均为混沌密钥的密钥参数，Round表示取整运算。
9.根据权利要求8所述的基于非线性标称矩阵的视频混沌保密通信方法，其特征在于，所述混沌加密模块和所述混沌解密模块中的AXIS协议接口所涉及的信号均包括tvalid、tdata、tuser、tlast以及tready信号；
其中，tvalid和tready为相应的通信双方之间的握手信号，并且，在高电平情况下启动tdata、tuser和tlast信号进行通信，在低电平情况下则暂停数据通信。
10.根据权利要求7至9任一项所述的基于非线性标称矩阵的视频混沌保密通信方法，其特征在于，所述视频发送端还包括与所述第一VDMA连接的第三内存缓冲区；所述第一FPGA还包括视频采集卡和第三VDMA；所述视频接收端还包括与所述第二VDMA连接的第四内存缓冲区；所述第二FPGA还包括第四VDMA；其中，所述方法还包括：
所述第三VDMA将所述视频采集卡采集到的所述原始视频数据传输至所述第三内存缓冲区进行保存，以便所述第一VDMA从所述第三内存缓冲区中获取所述原始视频数据；
所述第四内存缓冲区通过所述第二VDMA获取所述混沌解密模块得到的所述解密数据，并对所述解密数据进行保存；
所述第四VDMA将位于所述第四内存缓冲区中的所述解密数据传输至显示器进行显示。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108063663A (zh) * 2017-12-19 2018-05-22 广东工业大学 一种视频加密传输方法、装置及系统
CN109788347A (zh) * 2019-01-21 2019-05-21 广东工业大学 一种视频混沌保密通信装置及方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101345615A (zh) * 2008-08-05 2009-01-14 广东工业大学 基于fpga的混沌数字保密通信系统的设计方法
US20090279688A1 (en) * 2008-05-06 2009-11-12 Harris Corporation Closed galois field cryptographic system
CN104320241A (zh) * 2014-07-16 2015-01-28 广东工业大学 基于整数域混沌的视频保密通信方法
CN105871537A (zh) * 2016-06-16 2016-08-17 广东工业大学 一种基于混沌加密的视频通信方法及装置
CN107087213A (zh) * 2017-05-12 2017-08-22 广东工业大学 一种视频混沌保密通信的系统及方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090279688A1 (en) * 2008-05-06 2009-11-12 Harris Corporation Closed galois field cryptographic system
CN101345615A (zh) * 2008-08-05 2009-01-14 广东工业大学 基于fpga的混沌数字保密通信系统的设计方法
CN104320241A (zh) * 2014-07-16 2015-01-28 广东工业大学 基于整数域混沌的视频保密通信方法
CN105871537A (zh) * 2016-06-16 2016-08-17 广东工业大学 一种基于混沌加密的视频通信方法及装置
CN107087213A (zh) * 2017-05-12 2017-08-22 广东工业大学 一种视频混沌保密通信的系统及方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JI YAO: "《FPGA Implementation of Dynamic Key Management for DES Encryption Algorithm》", 《PROCEEDINGS OF 2011 INTERNATIONAL CONFERENCE ON ELECTRONIC & MECHANICAL ENGINEERING AND INFORMATION TECHNOLOGY》 *
曾令思: "《一种基于混沌的图像加密算法》", 《信息技术与信息化》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108063663A (zh) * 2017-12-19 2018-05-22 广东工业大学 一种视频加密传输方法、装置及系统
CN108063663B (zh) * 2017-12-19 2021-01-26 广东工业大学 一种视频加密传输方法、装置及系统
CN109788347A (zh) * 2019-01-21 2019-05-21 广东工业大学 一种视频混沌保密通信装置及方法
CN109788347B (zh) * 2019-01-21 2021-09-21 广东工业大学 一种视频混沌保密通信装置及方法

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