CN102541509A - 一种基于混沌加密的真随机数生成方法 - Google Patents

Abstract

一种基于混沌加密的真随机数生成方法，用便携式数码录音设备随机录制一段音频；转换成wav格式后导入计算机设备中安装的MATLAB软件，读取音频的信号y、采样率Fs和采样位数bits；用混沌系统产生与信号y数值序列长度相同的混沌序列，其中混沌系统的初始值和系统参数保证经过迭代后系统产生的是混沌行为；用混沌序列对信号y数值序列进行加密，生成加密实值序列；对加密实值序列进行二值化处理，二值化的输出即为真随机数。用便携装置录制音频信号，随机源的获得简单便捷；用混沌序列对得到的音频序列进行加密，进一步扩大了几次录制的音频信号的差异，能够利用微弱背景噪音的音乐等规律性音频产生随机数。

Description

一种基于混沌加密的真随机数生成方法

技术领域

    本发明涉及计算机信息技术中的随机数生成方法，具体地说是一种基于混沌加密的真随机数生成方法。 

背景技术

随机数在信息安全、仿真模拟、博彩抽签等科学技术和日常生活的许多领域具有非常重要的作用。随机数分成伪随机数和真随机数两种类型。伪随机数一般由某种计算机算法产生，因此有一定规律可循，可被预测。真随机数基于某种自然噪声，具有均匀的外部特征，完全没有规律可循，完全不可预测。真随机数的产生需要随机源，目前的随机源一般是通过检测放射性衰变、粒子轨迹、电子电路噪声、大气噪声、机械振荡器频率抖动等物理噪声来获取的。由于这些装置结构复杂，操作繁琐，有些还对人体具有以一定的危险性，因此这类随机数产生方法既不方便，也不实用。除此之外，真随机数也可通过人工方法获得，可通过掷硬币、扔骰子等随机方法获得高质量的随机数。可是，这类方法使用起来非常繁琐，显然也很不实用，不能适应现代社会对大批量、高质量的随机数的需求。 

对于利用环境声音产生真随机数的方法，之前基本上都是利用以噪声为主的环境声音。这是由于对于有规律的声音，例如单音节的金属声或有规律的音乐，若采用基准时间间隔的采样策略，则采样得到的音频具有一定的周期性。图1、图2是用相同的手机在同一位置录制的同一段音乐，长度为10秒。可以看出两段音乐由于背景噪音的影响，其波形是不同的，在3秒多的位置波形的峰值不同，在接近7秒的位置波形的形状也不太一样，具有随机源的特性。但是由于录制时，声音以有规律的音乐为主，环境噪声相对较小，因此，从图1、图2两组波形也可以看出，虽然每次录音的信号都存在少许不同，但是还有大部分是相同的，产生的随机数也具有较高的相似性。 

混沌系统产生的序列具有良好的遍历性、伪随机性、对参数的初始敏感性，常常用来做流密码加密的密钥流。这是因为：混沌轨道的发散特性及对初始条件的敏感性使之满足Shannon提出的加密系统设计的扩散原则，混沌吸引子的拓扑传递性与混合性，以及对系统参数的敏感性满足Shannon提出的加密系统设计的混淆原则。 

发明内容

    本发明所要解决的技术问题是提供一种基于混沌加密的真随机数生成方法，设备简单易得，对录音环境具有较强的适应性，能够利用微弱背景噪音的音乐等规律性音频产生随机数。 

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基于混沌加密的真随机数生成方法，步骤为： 

步骤一、采用便携式数码录音设备随机录制一段音频；

步骤二、将录制的音频信息传送至计算机设备，然后将音频信息转换成wav格式；

步骤三、将转换后的音频信息导入计算机设备中安装的MATLAB软件，利用Matlab软件的[y, Fs, bits]=wavread(“ *.wav”)命令读取音频的信号y、采样率Fs和采样位数bits，其中信号y为关于时间的数值序列，值域范围在[-1, 1]；

步骤四、利用构建的混沌系统产生与信号y数值序列长度相同的混沌序列，其中混沌系统的初始值和系统参数保证经过迭代后系统产生的是混沌行为；

步骤五、利用产生的混沌序列对信号y数值序列进行加密，生成加密实值序列；

步骤六、利用空间分割法或阈值法对步骤五的加密实值序列进行二值化处理，二值化的输出即为真随机数。

所述的空间分割法利用公式                                                    ，式中，n > 0为任意正整数；   

代表[a, b]上2n个连续的等分区间；将实值序列的值域划分为大小相等的2n个区间并编号0,1,…, 2n-1，属于编号为偶数空间的令二值化的输出为0，属于编号为奇数空间的令二值化的输出为1。 

所述的阈值法利用公式   

，先求解实值序列的均值，如果小于均值，令二值化的输出为0，如果大于均值，令二值化的输出为1。 

步骤五的加密方法为，将混沌序列和信号y数值序列中的每一个元素同时乘以2^bits，其中bits为步骤三得到的采样位数，再对每一个元素取整，然后采用位异或的方式用取整后的混沌序列对信号y数值序列进行加密。 

步骤五的加密方法也可以为，将混沌序列和信号y数值序列中相对应的元素相加。

本发明的有益效果是：1）可以使用手机或录音笔等便携装置录制音频信号，做到随时使用，随时录制，因此随机源的获得既简单又便捷；2）不同场合、不同装置录制的同一段音频信号不可能完全相同，因为音频信号还包括背景杂音，而将音频信号进行加密处理时，包含了背景杂音，所以随机源是唯一的；3）用混沌序列对得到的音频序列进行加密，进一步扩大了几次录制的音频信号的差异，能够利用微弱背景噪音的音乐等规律性音频产生随机数；4）音频的传送可采用无线或有线方式，在现今的网络条件下，简单可行且成本低廉；5）随机数的长短可通过音频信号的长短来控制。 

附图说明

    图1是录制的一段音频的波形图。 

    图2是录制的另一段音频的波形图。

    图3是本发明真随机数生成方法的流程图。 

具体实施方式

    本发明的真随机数生成方法包括信号源、录音装置及计算机三个部分。信号源为人的发声或自然界一切声音。录音装置为具有录音功能的手机或录音笔，手机录制的音频信号一般格式为.amr，录音笔录制的音频信号格式为.mp3或.wma或.vyf。在录音设备中手机最易获得，基本人手一台，且现在的手机都基本具有录音功能，录制的音频文件格式为“*.amr”，优点是容量很小，即便长达一分钟的音频文件，也不超过50kb，缺点是音质方面不太乐观。而本技术方案需要录制的是噪音，正适用于这种音频格式。计算机可通过无线蓝牙或有线USB方式接收音频信号。 

如图2所示为在计算机上对音频信号的处理及产生真随机数的过程。首先，采用便携式数码录音设备随机录制一段音频；用音频格式转换软件将接收到的音频信号转换为wav格式，然后用MATLAB进行读取，由[y, Fs, bits]=wavread(“* .wav”)命令读取信号y、采样率Fs和采样位数bits。其中信号y为关于时间的数值序列，值域范围在[-1, 1]。如果音频是双声道的，得到的是两列数据，这里可只用单声道的数据y=y(:,1)。通过MATLAB的命令可以得到信号y数值序列的长度。 

然后利用构建的混沌系统产生与信号y数值序列长度相同的混沌序列，混沌系统可采用一维或多维、离散或连续混沌系统，混沌系统的初始值和系统参数要保证经过迭代后系统产生的是混沌行为即可。混沌系统的初始值和系统参数可以按照通常加密技术用混沌系统的设置方式。为了方便叙述，令混沌序列为z，信号y数值序列为y。混沌系统如果是离散混沌系统，可通过增加迭代次数，获得长序列。例如，Logistic映射的方程：   

 ，里面的n就是迭代次数，我们可以通过命令a=length(y)得到y的长度，即a，令n=a-1，就可以得到和y长度相同的序列z了，即     ，长度也为a。如果所用的混沌系统时连续混沌系统，如：Lorenz方程：   

，解这个方程，所用的方法为四阶龙哥库塔法，可用命令ode45(‘Lorenz’,[0,tspan],X0)；这个命令中单引号内的是方程的文件名，[0,tspan]是微分的时间范围，X0是微分方程的初值。命令返回的值就是这个方程组的数值解，即混沌时间序列。微分的时间越长，获得的数值解越多，序列的长度也越长。在知道序列y的长度a后，，可粗估微分时间，得到混沌时间序列，如果序列的长度比a小，则继续延长微分时间，如果序列的时间长度比a大，可进行截取。这个方程解出来的数值解是三个时间序列。我们可只取其中的一个序列和y进行加密，或将三个序列进行运算后生成一个序列对y加密。加密时，要保证混沌序列的长度与音频序列的长度一致。加密处理可采用最简单的方式，将y和z的每一个元素值相加，得到加密后的加密实值序列x。加密方式也可以采用将混沌序列和信号y数值序列中的每一个元素同时乘以2^bits，其中bits为步骤三得到的采样位数。再对每一个元素取整，然后采用位异或的方式用取整后的混沌序列对信号y数值序列进行加密。 

加密后，利用空间分割法或阈值法对步骤五的加密实值序列进行二值化处理，二值化的输出即为真随机数。 

1、空间分隔法 

式中，n > 0为任意正整数；    

 代表[a, b]上2n个连续的等分区间。本方法是将实值序列的值域划分为大小相等的2n个区间并编号0,1,…, 2n-1，属于编号为偶数空间的令二值化的输出为0，属于编号为奇数空间的令二值化的输出为1。

    2、阈值法 

本发法是先求解实值序列的均值，如果小于均值，令二值化的输出为0，如果大于均值，令二值化的输出为1。

最后，二值化的输出即为真随机数。 

用混沌序列再次对得到的音频序列进行加密，进一步扩大了几次录制的音频信号的差异，混沌序列具有的对初始值极端敏感的性质，又是的加密之后的序列也具备这一特性，如果加密过程中有一点不同，那将得到完全不同的序列。音频序列是真随机的，因此加密之后依然是真随机的。 

Claims (5)

1.一种基于混沌加密的真随机数生成方法，其特征在于：

步骤一、采用便携式数码录音设备随机录制一段音频；

步骤二、将录制的音频信息传送至计算机设备，然后将音频信息转换成wav格式；

步骤三、将转换后的音频信息导入计算机设备中安装的MATLAB软件，利用Matlab软件的[y, Fs, bits]=wavread(“ *.wav”)命令读取音频的信号y、采样率Fs和采样位数bits，其中信号y为关于时间的数值序列，值域范围在[-1, 1]；

步骤四、利用构建的混沌系统产生与信号y数值序列长度相同的混沌序列，其中混沌系统的初始值和系统参数保证经过迭代后系统产生的是混沌行为；

步骤五、利用产生的混沌序列对信号y数值序列进行加密，生成加密实值序列；

步骤六、利用空间分割法或阈值法对步骤五的加密实值序列进行二值化处理，二值化的输出即为真随机数。

2.如权利要求1所述的一种基于混沌加密的真随机数生成方法，其特征在于：所述的空间分割法利用公式                                                    ，式中，n > 0为任意正整数；    

 代表[a, b]上2n个连续的等分区间；将实值序列的值域划分为大小相等的2n个区间并编号0,1,…, 2n-1，属于编号为偶数空间的令二值化的输出为0，属于编号为奇数空间的令二值化的输出为1。

3.如权利要求1所述的一种基于混沌加密的真随机数生成方法，其特征在于：所述的阈值法利用公式     

，先求解实值序列的均值，如果小于均值，令二值化的输出为0，如果大于均值，令二值化的输出为1。

4.如权利要求1所述的一种基于混沌加密的真随机数生成方法，其特征在于：步骤五的加密方法为，将混沌序列和信号y数值序列中的每一个元素同时乘以2^bits，其中bits为步骤三得到的采样位数，再对每一个元素取整，然后采用位异或的方式用取整后的混沌序列对信号y数值序列进行加密。

5.如权利要求1所述的一种基于混沌加密的真随机数生成方法，其特征在于：步骤五的加密方法为，将混沌序列和信号y数值序列中相对应的元素相加。

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