CN111682931B - 基于混沌的多音频高维加密方法 - Google Patents

Abstract

一种基于混沌的多音频高维加密方法，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多音频高维加密方法。首先，将多个同长度的音频拼接成一个音素矩阵；其次，将矩阵中的音素整数化，并将矩阵中的音素转化成二进制数；再次，通过混沌序列对三维音素矩阵进行置乱；最后，将置乱音素矩阵与混沌序列进行异或运算，实现音素的扩散。实验表明：该方法可实现多个音频文件同步加密，且加密效果良好，安全性高且高效。

Description

基于混沌的多音频高维加密方法

技术领域

本文涉及了一种音频加密方法，主要面对多个音频文件进行加密。

背景技术

近些年来，随着科学技术的进步，智能手机产业和APP应用程序行业得到了较大发展，随之而来的是社交网络的普及，人们越来越多地通过手机互联网与他人交流，与此同时，信息安全问题也逐渐得到了人们的关注，数据泄露，隐私被盗等问题的出现也迫使信息加密安全技术急需得到加强。对音频数据的加密就是利用数字音频的矩阵特性，在音频的空间域，按照某种变换规则，改变音素的位置或者音素值，将原始音频的信息变得“杂乱无章”。多音频加密作为一种新的多媒体安全技术，具有高效、保密性强的特征，逐渐引起研究人员的关注。

传统的音频加密方式主要有两种：音素置乱和音素扩散。其中音素置乱的目的是改变音素的位置；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，利用混沌理论和多音频理论，设计了一种基于混沌的多音频高维加密方法。该方法利用了多音频文件良好的置乱效果，以及混沌良好的随机性和复杂性，有效地保护了多个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：针对现有单音频加密方法安全性弱的问题，提出一种基于混沌的多音频加密方法。

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。

步骤1：音素整数化：令k个交互音频为A ¹, A ², …, A ^k ，其大小为m×1，m是音素数目，1指音频文件为单声道；A ^j （j=1, 2, …, k）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

b _i ^j =(a _i ^j +1)×d，i=1, 2, …, m；j=1, 2, …, k， （1）

其中，a _i ^j ∈A ^j ，B ^j ={b _i ^j }为音素整数矩阵，可得k个m×1的音素整数矩阵B ¹, B ², …,B ^k ；

步骤2：混沌序列产生：随机选取初始值x 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）m次，

， （2）

可产生一个混沌序列X ¹={x _i ¹}；类似地，随机选取初始值y ₀∈(0, 1), z ₀∈(0, 1),w ₀∈(0, 1)和控制参数p ₂∈(0, 0.5), p ₃∈(0, 0.5), p ₄∈(0, 0.5)，分别迭代k，n和m×k次，可产生三个混沌序列Y ¹={y _i ¹}，Z ¹={z _i ¹}和W ¹={w _i ¹}；

步骤3：混沌序列整数化：计算，

x _i ²=mod(floor(x _i ¹×10¹⁶), m)， （3）

y _i ²=mod(floor(y _i ¹×10¹⁶), k)， （4）

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

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

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

步骤4：音频数据升维：按照B ¹, B ², …, B ^k 的顺序，将其重塑成一个m×k的整数矩阵C；将C中的元素均用n个二进制位表示；以单个二进制位视为元素，可构成一个大小为m×k×n的三维矩阵D；

步骤5：位级置乱：利用X ²，Y ²和Z ²分别对D依次进行位级行置乱、位级列置乱和位级面置乱，可得置乱结果E；

步骤6：音频数据降维：以n个二进制位为单位，将E中数据十进制化，可将E转化为一个大小为m×k的音素矩阵F；将F中元素按照列拆分，可得k个置乱结果为：G ¹, G ², …,G ^k ；

步骤7：音素扩散：计算，

H ¹=G ¹⊕W ²，H ⁱ =G ⁱ ⊕Y ²⊕H ^i-1，i=2, 3, …, k， （7）

其中，⊕表示异或运算，可得扩散结果为：H ¹, H ², …, H ^k ；

步骤8：音素小数化：对H ¹, H ², …, H ^k 中的元素都除以d，再减1，使其范围变为[-1, 1]，即

q _i ^j =h _i ^j /d-1，i=1, 2, …, m；j=1, 2, …, k， （8）

其中，h _i ^j ∈H ^j ，Q ^j ={q _i ^j }为音素矩阵；可得k个加密音频Q ¹, Q ², …, Q ^k 。

进一步地，所述步骤5中，位级行置乱指：若i（i=1, 2, …, m）为奇数行，则对D中第i行元素进行x _i ²∈X ²位向左循环移位操作；若i为偶数行，则对D中第i行元素进行x _i ²位向右循环移位操作。

进一步地，所述步骤5中，位级列置乱指：若j（j=1, 2, …, k）为奇数列，则对D中第j列元素进行y _i ²∈Y ²位向上循环移位操作；若i为偶数列，则对D中第j列元素进行y _i ²位向下循环移位操作。

进一步地，所述步骤5中，位级面置乱指：若s（s=1, 2, …, n）为奇数列，则对D中第s个位平面上的元素进行z _i ²位向前循环移位操作；若s为偶数列，则对D中第s个位平面上的元素进行z _i ²位向后循环移位操作。

有益效果：本发明针对单音频加密方法安全性弱的缺点和固有音频加密方法效率低的问题，提出一种基于混沌的多音频高维加密方法。主要贡献有：（1）用多个音频进行加密，在对音频加密前首先利用多音频的不相关性使得音素有较好的置乱效果；（2）利用PWLCM分段混沌映射系统产生的混沌序列对原始音频矩阵进行置乱和扩散，当初始密钥发生变化时就会产生不同的加密效果，提高了方法的保密性；（3）实现了多个音频文件同步加密，提高了音频加密的效率；（4）该方法利用了混沌的随机性和复杂性，提高了音频的加密效果。因此，提出的多音频加密方法具有高效、安全和加密效果良好的特征，可有效地保护了多个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 R2017b，选取5个大小为40000×1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：打开5个音频文件A¹, A², …, A⁵；其时域波形如图2所示，将其步骤一整数化处理后得到B¹, B², …, B⁵。

步骤2：混沌序列产生：取密钥初始值，x ₀=0.85678246971354、y ₀=0.74158763482146、z ₀=0.45213648764128、w ₀=0.368421795243678、p ₁=0.3642871348521、p ₂=0.25136478213497、p ₃=0.35964785134952、p ₄=0.40258126971254，通过公式（2）的PLWCM分段映射系统产生混沌序列X ¹、Y ¹、Z ¹、W ¹。

步骤3：混沌序列整数化，将步骤2所生成的混沌序列X ¹、Y ¹、Z ¹、W ¹通过步骤三所示公式（3）-（6）取整得到混沌序列X ²、Y ²、Z ²、W ²。

步骤4：音素数据升维：将B¹，B²，…, B⁵按照其序号组合成为一个40000×5的二维矩阵C，再将矩阵中的每个元素转化成16位二进制表示，并重组成为40000×5×16的三维矩阵D，矩阵元素为0或1。

步骤5：音素高维置乱：将得到的三维矩阵D通过步骤三产生的混沌矩阵X ²、Y ²、Z ²进行行列面置乱，具体为：（1）行置乱：对于矩阵D的第i行（1≤i≤40000），如果i为奇数，则第i行向右循环移位X _i ²位，如果i为偶数，则第i行向左循环移位X _i ²位；（2）列置乱：对于矩阵D的第j列（1≤j≤5），如果j为奇数，则第j列向上循环移位Y _j ²位，如果j为偶数，则第j列向下循环移位Y _j ²位；（3）面置乱：对于矩阵D的第s列（1≤s≤16），如果s为奇数，则第s页向前循环移位Z _s ²位，如果s为偶数，则第s页向后循环移位Z _s ²位。

步骤6：音素数据降维：将通过音素高维置乱后的矩阵D十进制化，每16位二进制变为1位十进制，最终组合成为一个40000×5的二维矩阵F，再将F按列拆分成为5个40000×1的矩阵G¹, G², …, G⁵。

步骤7：音素扩散：对步骤6产生的G¹, G², …, G⁵进行公式（7）所示的运算可得到H¹, H², …, H⁵。

步骤8：对H¹, H²,…, H⁵进行公式（8）所示的运算可得到5个加密后的音频文件Q¹,Q², …, Q⁵；时域波形，如图3所示。

音频解密：解密过程是加密过程的逆过程。

Claims (1)

1.基于混沌的多音频高维加密方法，其特征在于，加密过程包括如下步骤：

步骤1：音素整数化：令k个交互音频为A ¹, A ², …, A ^k ，其大小为m×1，m是音素数目，1指音频文件为单声道；A ^j （j=1, 2, …, k）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

b _i ^j =(a _i ^j +1)×d，i=1, 2, …, m；j=1, 2, …, k， （1）

其中，a _i ^j ∈A ^j ，B ^j ={b _i ^j }为音素整数矩阵，可得k个m×1的音素整数矩阵B ¹, B ², …, B ^k ；

步骤2：混沌序列产生：随机选取初始值x 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）m次，

， （2）

可产生一个混沌序列X ¹={x _i ¹}；类似地，随机选取初始值y ₀∈(0, 1), z ₀∈(0, 1), w ₀∈(0, 1)和控制参数p ₂∈(0, 0.5), p ₃∈(0, 0.5), p ₄∈(0, 0.5)，分别迭代k，n和m×k次，可产生三个混沌序列Y ¹={y _i ¹}，Z ¹={z _i ¹}和W ¹={w _i ¹}；

步骤3：混沌序列整数化：计算，

x _i ²=mod(floor(x _i ¹×10¹⁶), m)， （3）

y _i ²=mod(floor(y _i ¹×10¹⁶), k)， （4）

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

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

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

步骤4：音频数据升维：按照B ¹, B ², …, B ^k 的顺序，将其重塑成一个m×k的整数矩阵C；将C中的元素均用n个二进制位表示；以单个二进制位视为元素，可构成一个大小为m×k×n的三维矩阵D；

步骤5：位级置乱：利用X ²，Y ²和Z ²分别对D依次进行位级行置乱、位级列置乱和位级面置乱，可得置乱结果E；其中，位级行置乱指：若i（i=1, 2, …, m）为奇数行，则对D中第i行元素进行x _i ²∈X ²位向左循环移位操作；若i为偶数行，则对D中第i行元素进行x _i ²位向右循环移位操作；位级列置乱指：若j（j=1, 2, …, k）为奇数列，则对D中第j列元素进行y _i ²∈Y ²位向上循环移位操作；若i为偶数列，则对D中第j列元素进行y _i ²位向下循环移位操作；位级面置乱指：若s（s=1, 2, …, n）为奇数列，则对D中第s个位平面上的元素进行z _i ²位向前循环移位操作；若s为偶数列，则对D中第s个位平面上的元素进行z _i ²位向后循环移位操作；

步骤6：音频数据降维：以n个二进制位为单位，将E中数据十进制化，可将E转化为一个大小为m×k的音素矩阵F；将F中元素按照列拆分，可得k个置乱结果为：G ¹, G ², …, G ^k ；

步骤7：音素扩散：计算，

H ¹=G ¹⊕W ²，H ⁱ =G ⁱ ⊕Y ²⊕H ^i-1，i=2, 3, …, k， （7）

其中，⊕表示异或运算，可得扩散结果为：H ¹, H ², …, H ^k ；

步骤8：音素小数化：对H ¹, H ², …, H ^k 中的元素都除以d，再减1，使其范围变为[-1,1]，即

q _i ^j =h _i ^j /d-1，i=1, 2, …, m；j=1, 2, …, k， （8）

其中，h _i ^j ∈H ^j ，Q ^j ={q _i ^j }为音素矩阵；可得k个加密音频Q ¹, Q ², …, Q ^k 。

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