CN111682930B - 基于混沌的位级音频加密方法 - Google Patents

Abstract

一种基于混沌的位级加密算法，属于信息加密领域。目前，在网络上传递音频文件和用语音进行交流的活动日益频繁，为保护多个音频内容的安全性，本发明提出一种基于混沌的位级加密算法。首先，对音素整数化，然后利用密钥产生混沌序列，再进行整数化，然后进行音素级置乱和位级扩散，最后将音素小数化得到加密音频。实验表明：该算法可同时加密多个音频文件，且算法加密效果较好，密钥敏感性强，安全性高，高效。

Description

基于混沌的位级音频加密方法

技术领域

本文涉及了一种音频加密方法，主要面对单个音频文件进行加密。

背景技术

近年来，随着大数据技术的发展和5G的普及，人们越来越多地依赖手机、网络等工具进行通信和交流。与此同时，网络中存在着很大的风险。信息泄露，恶意篡改等问题层出不穷，于是关于信息加密技术也越来越火爆。其中音频加密是利用数字音频的矩阵特点，按照特定变换规则，进行置乱或扩散，将原始音频的信息变得“杂乱无章”。

音频加密主要包括音素置乱和音素扩散两种手段。其中音素置乱的目的是音素的位置；音素扩散的目的是改变音素的值。为提高音频音频加密的安全性和效率，保证音频的安全高效传输，利用混沌理论和位级加密，设计了一种基于混沌的位级音频加密方法。该方法利用了混沌良好的随机性和复杂性，有效地保护了音频文件网络传输和存储的安全性。

发明内容

本发明的目的：为了解决音频文件在传输过程中安全性的问题，提出一种基于混沌的位级音频加密方法。

本发明的技术方案：为实现上述发明目的，采用的方案是基于混沌的多音频加密方法。

基于混沌的位级音频加密方法，其特征在于，加密过程包括如下步骤：

步骤1：音素整数化：令交互音频文件为A ¹，其大小为m×1，m是音素数目，1指音频文件为单声道；A ¹中元素范围为[-1, 1]，将所有元素加1，使其范围变为[0, 2]，再乘上指定系数d，使得每个音素值均可用n个二进制位来表示，即

a _i ²=(a _i ¹+1)×d， （1）

其中，a _i ¹∈A ¹，A ²={a _i ²}为整数矩阵；

步骤2：混沌序列产生：随机选取初始值w ₀∈(0, 1)和控制参数p ₁∈(0, 0.5)，迭代公式（2）所示的分段线性混沌映射（Piecewise Linear Chaotic Map，PWLCM）n次，可产生一个混沌序列W ¹={w _i ¹}；

， （2）

令控制参数a=35，b=3和c=38，随机选择初始值x ₀∈(0, 1)， y ₀∈(0, 1)，z ₀∈(0,1)，迭代公式（3）所示的陈混沌系统m次，

， （3）

可产生三个混沌序列X ¹={x _i ¹}，Y ¹={y _i ¹}和Z ¹={z _i ¹}；

步骤3：混沌整数化：计算：

w _i ²=mod(floor(w _i ¹×10¹⁶), m)， （4）

y _i ²=mod(floor(y _i ¹×10¹⁶), n)， （5）

z _i ²=mod(floor(z _i ¹×10¹⁶), 2)， （6）

其中，mod( )和floor( )分别为取模和取整函数，w _i ¹∈W ¹，y _i ¹∈Y ¹，z _i ¹∈Z ¹，W ²={w _i ²}，Y ²={y _i ²}和Z ²={z _i ²}；

步骤4：音素级置乱：对X ¹进行元素值升序排列，可得一个新的混沌序列X ²，利用X ¹和X ²元素位置的对应关系对A ²进行音素置乱，可得置乱矩阵A ³；

步骤5：音素二进制化：将A ³中的每个元素均用n位二进制位表示，可构成一个大小为m×n的二进制位矩阵A ⁴；

步骤6：位级置乱：利用Y ²，对A ⁴执行位级行置乱，可得置乱结果A ⁵；再利用W ²，对A ⁵执行位级列置乱，可得置乱结果A ⁶；

步骤7：位级扩散：A ⁶可分解成n个位向量为V ₁ ¹, V ₂ ¹, …, V _n ¹，计算：

V ₁ ²=V ₁ ¹⊕Z ²，V _i ²=V _i ¹⊕Z ²⊕V _i-1 ²，i=2, 3, …, n， （7）

其中，⊕表示异或运算，V ₁ ², V ₂ ², …, V _n ²构成扩散结果A ⁷；

步骤8：音素小数化：对A ⁷中的每行元素均用一个十进制数表示，可构成一个大小为m×1的十进制矩阵A ⁸；将A ⁸中的所有元素除以d，再减1，使其范围变为[-1, 1]，即

a _i ⁹= a _i ⁸/d-1， （8）

其中，a _i ⁸∈A ⁸，A ⁹={a _i ⁹}为加密音频。

进一步地，所述步骤6中所述的方法，其特征在于：位级行置乱指：若i（i=1, 2,…, m）为奇数行，则对A ⁴的第i行元素进行y _i ²位向左循环移位操作；若i为偶数行，则对A ⁴的第i行元素进行y _i ²位向右循环移位操作。、

进一步地所述，步骤6中所述的方法，其特征在于：位级列置乱指：若j（j=1, 2,…, n）为奇数列，则对A ⁵的第j列元素进行w _i ²位向上循环移位操作；若i为偶数列，则对A ⁵的第j列元素进行w _i ²位向下循环移位操作。

有益效果：本发明针对原有频加密方法安全性差的问题，提出一种基于混沌的位级音频加密方法。主要贡献有：（1）利用混沌序列实现了音素级置乱和位级置乱；（2）利用位级加密的思想，实现了位级扩散。因此，该方法具有高效、安全和加密效果良好的特征，可有效地保护音频文件网络传输和存储的安全性。

附图说明

图1：基于混沌的多音频加密流程图；

图2：原始音频的时域波形图；

图3：加密音频的时域波形图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实例对本发明的实施过程进一步详细说明。

图1是本方法的加密流程图。

采用的编程软件为Matlab R2016b，选取1个大小为73113×1的音频文件作为原始音频。采用本方法，对原始图像加密的详细过程描述如下。

步骤1：令交互音频文件为A ¹，其大小为m×1，m是音素数目，1指音频文件为单声道；A ¹中元素范围为[-1, 1]，将所有元素加1，使其范围变为[0, 2]，再乘上指定系数d，使得每个音素值均可用n个二进制位来表示；

步骤2：混沌序列产生：选取PWLCM的初始值x ₀ ¹=0.203和参数p ¹=0.190，迭代该映射16次，可获得一个混沌序列W ¹={w _i ¹}₁₆；另参数a=35，b=3，c=38，参数y ₀=0.305，z ₀ ¹=0.408，迭代公式（3）中式子73113次，得到X ¹={ x _i ¹}₇₃₁₁₃，Y ¹={ y _i ¹}₇₃₁₁₃，Z ¹={ z _i ¹}₇₃₁₁₃；

步骤3：混沌整数化：按照公式（4）-（6）进行混沌整数化操作

步骤4：音素级置乱：对X ¹进行元素值升序排列，可得一个新的混沌序列X ²，利用X ¹和X ²元素位置的对应关系对A ²进行音素置乱，可得置乱矩阵A ³；

步骤5：音素二进制化：将A ³中的每个元素均用n位二进制位表示，可构成一个大小为m✕n的二进制位矩阵A ⁴；

步骤6：位级置乱：利用Y ²，对A ⁴执行位级行置乱，可得置乱结果A ⁵；再利用W ²，对A ⁵执行位级列置乱，可得置乱结果A ⁶；

步骤8：音素小数化：对A ⁷中的每行元素均用一个十进制数表示，可构成一个大小为m×1的十进制矩阵A ⁸；将A ⁸中的所有元素除以d，再减1，使其范围变为[-1, 1]。

在解密过程中，利用相同的混沌序列、混沌矩阵和对应的解密方法作用于加密音频，可得解密音频时域波形图，如图2所示。解密过程是加密的逆过程。

Claims (1)

1.基于混沌的位级音频加密方法，其特征在于，加密过程包括如下步骤：

步骤1：音素整数化：令交互音频文件为A ¹，其大小为m×1，m是音素数目，1指音频文件为单声道；A ¹中元素范围为[-1, 1]，将所有元素加1，使其范围变为[0, 2]，再乘上指定系数d，使得每个音素值均可用n个二进制位来表示，即

a _i ²=(a _i ¹+1)×d， （1）

其中，a _i ¹∈A ¹，A ²={a _i ²}为整数矩阵；

步骤2：混沌序列产生：随机选取初始值w ₀∈(0, 1)和控制参数p ₁∈(0, 0.5)，迭代公式（2）所示的分段线性混沌映射（Piecewise Linear Chaotic Map，PWLCM）n次，可产生一个混沌序列W ¹={w _i ¹}；

， （2）

令控制参数a=35，b=3和c=38，随机选择初始值x ₀∈(0, 1)， y ₀∈(0, 1)，z ₀∈(0, 1)，迭代公式（3）所示的陈混沌系统m次，

， （3）

可产生三个混沌序列X ¹={x _i ¹}，Y ¹={y _i ¹}和Z ¹={z _i ¹}；

步骤3：混沌整数化：计算：

w _i ²=mod(floor(w _i ¹×10¹⁶), m)， （4）

y _i ²=mod(floor(y _i ¹×10¹⁶), n)， （5）

z _i ²=mod(floor(z _i ¹×10¹⁶), 2)， （6）

其中，mod( )和floor( )分别为取模和取整函数，w _i ¹∈W ¹，y _i ¹∈Y ¹，z _i ¹∈Z ¹，W ²={w _i ²}，Y ²={y _i ²}和Z ²={z _i ²}；

步骤4：音素级置乱：对X ¹进行元素值升序排列，可得一个新的混沌序列X ²，利用X ¹和X ²元素位置的对应关系对A ²进行音素置乱，可得置乱矩阵A ³；

步骤5：音素二进制化：将A ³中的每个元素均用n位二进制位表示，可构成一个大小为m×n的二进制位矩阵A ⁴；

步骤6：位级置乱：利用Y ²，对A ⁴执行位级行置乱，可得置乱结果A ⁵；再利用W ²，对A ⁵执行位级列置乱，可得置乱结果A ⁶；其中，位级行置乱指：若i（i=1, 2, …, m）为奇数行，则对A ⁴的第i行元素进行y _i ²∈Y ²位向左循环移位操作；若i为偶数行，则对A ⁴的第i行元素进行y _i ²位向右循环移位操作；位级列置乱指：若j（j=1, 2, …, n）为奇数列，则对A ⁵的第j列元素进行w _i ²∈W ²位向上循环移位操作；若i为偶数列，则对A ⁵的第j列元素进行w _i ²位向下循环移位操作；

步骤7：位级扩散：A ⁶可分解成n个位向量为V ₁ ¹, V ₂ ¹, …, V _n ¹，计算：

V ₁ ²=V ₁ ¹⊕Z ²，V _i ²=V _i ¹⊕Z ²⊕V _i-1 ²，i=2, 3, …, n， （7）

其中，⊕表示异或运算，V ₁ ², V ₂ ², …, V _n ²构成扩散结果A ⁷；

步骤8：音素小数化：对A ⁷中的每行元素均用一个十进制数表示，可构成一个大小为m×1的十进制矩阵A ⁸；将A ⁸中的所有元素除以d，再减1，使其范围变为[-1, 1]，即

a _i ⁹= a _i ⁸/d-1， （8）

其中，a _i ⁸∈A ⁸，A ⁹={a _i ⁹}为加密音频。

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