TW200821864A - Chaos-based visual encryption mechanism - Google Patents

Description

200821864— 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種混沌視覺加密機制，主要是為了避 ‘免心電圖/腦電波圖生醫訊號遭駭客攻擊獲竊取而設計的 -一種混沌視覺加密機制，利用一維混亂攪亂碼將數值映射 並重新洗牌來達到心電圖/腦波圖生醫訊號的視覺加密效 果，以達成其訊號的不可辨視性者。 【先前技術】 按，加密是作為保護訊息的一種程序，以避免遭受到 駭客的攻擊，達到訊號的不可辨認性，對於極具個人私密 性的生醫醫療信號而言，當然更需要進行加密，若將心電 圖/腦電波圖生醫訊號視為資料位元流，則與其他類型的 數位資料加密機制並沒有差異。 然而’近年來應用混、;屯理論於視覺加密領域正逐漸受 到重視’其中視覺加密的概念是在1994年由Naor和Shamir 1 兩人提出’它的原理是利用人類對圖像視覺上的敏感，將 - 具有個人隱私或機也、的生醫或影像訊號進行加密，使人無 法清楚辨識他原本的特徵。 目前常見的視覺加密機制一般是藉由（i)訊號位置排 列（ii)轉換訊號的數值（iii)訊號位置排列和轉換訊號的 數值等三方面來達成，在先前的研習中，我們已使用混沌 理論優越的不可預測性，設計基於二維渾沖i視覺加密機制 應用在JPEG2000醫學影像及一維渾沌視覺加密機制應用於 個別的心電圖和腦電波生醫訊號。 200821864^ 一- 基於此’我們進一步設計混沌視覺加密機制應用於整 合之心電圖/腦電波生醫訊號，期能在心電圖/腦電波等 生醫訊號的加密上，獲得更優越的成效。 【發明内容】 本發明係設計了一種混、;屯視覺加密機制，以之應用 於心電圖/腦電波圖整合混波生醫訊號之加密，藉由混沌 理論的不可預測性質所設計的視覺加密機制，其加密效果 相當優越’當輸入正確加密參數時，心電圖/腦電波圖生 醫訊號可正確回復，當輸入起始值有〇· 〇〇〇〇〇1%誤差時，所 解密的心電圖生醫訊號與腦電波生醫訊號均嚴重失真變形 ，無法進行相關之醫事判讀，加密效果相當良好，同時藉 由調整加密參數，我們可以增加視覺加密機制的強韌度或 者是視覺加密的速度，達到即時加密的目的。 【實施方式】 有關於本發明之實施、技術手段及功效達成方面，謹 • 配合圖式在予舉例說明於后： 請參閱第1圖之一維混、;屯視覺加密架構圖、第2圖之 混沌攪亂加密流程圖、第3圖之混沌洗牌加密流程圖、以 及第4圖之硬體架構示意圖。 為了達到生醫訊號在傳輸過程的加密，我們設計了一 維混 >屯訊號授亂機制’如圖（一）所示，一維混洗訊號挽 亂機制的概念是根據混、;屯理論產生一組無法為駭客所破解 的隨機序列；將原始生醫訊號與混池隨機序列相攪亂，使 得原始的生醫訊號變的無法辨識，達到視覺加密之效果， 6 200821864 一 一一 這樣的加密機制，相當適合需仰賴醫師視覺進行判斷的心 電圖生醫訊號。

圖（一）一維混沌訊號攪亂器 其訊號攪亂機制敘述如下： 首先，透過混沌位址配置程序& 產生混沌攪亂隨機 序列的索引位址。接著，使用混沌隨機數值產生器產 生一個混沌序列，並依據混沌位址配置程序所產生的索引 位址產生混沌攪亂序列，對心電圖/腦電波圖等生醫訊號 進行攪亂。 混洗位址配置程序心概念描述如下： 首先，在眾多的混、;屯地圖當中，選取一個作為仏4的 混沌地圖（CMTF )，這是加密參數一，並輸入CMTF的起始 點（叫），這是加密參數二，藉由和巧，我們可 以產生一混沌序列，並對此混沌序列的前/V的點進行刪除 200821864 -- 一 加畨參數二，剩餘的混沌序列大於今的點進行刪除 乂疋加密參數四’最後餘的混沌序列取倒數和接近的整 數，產生索引位址。 其混沌位址配置程序詳述如下： 步驟一 ··選擇一組 步驟二：輸入邮从 其中4是輸入心電圖/腦電波圖等生醫訊號的長度。 步驟三：（a)若各>1，中止程序； 否則執行下一步驟。

Cb) x0=spf (c)產生混洗序列〜個點： (1) 然後删除這些點。 步驟四：（a) Vi=CM^) (b)右\>各則刪除這些點，回到步驟2 ; •否則執行下一步驟。 \ . (c) ⑵ 其中j的初始值為1， j=j+l 。 步驟五：比較恥與fflk，。 若wy_ eK，l A句Μ} ’則刪除這些點，然後回到步驟二；否 則執行下一步驟。 步驟六：若，中止程序並且將恥輸出， 0

l<j<LF 8 200821864 - - 一 . 接下來，混沌隨機數值產生器(^£^的產生過程，首先將對 Gccs選擇一混沌地圖及起始值珥，輸出混沌隨機序列 ^ l<n<mc ’這裡 < 為FCZ4中最大的索引位址。 其產生程序描述如下： 步驟一：選擇一混沌地圖CMTg 〇 步驟二：輸入起始值％ 。 步驟三：產生有限個數的混沌序列。 (3) xo=S^gX〇 =5PCcy,c J l^n^mmc 步驟四··輸出\。 因此’我們可以依據L所產生索引位置，來選取GCCs 所輸出的混沌隨機數值序列，產生一維混沌攪亂序列’其 過程概述如下： 步驟一：藉由仏 產生混沌索引位置序列 (a) ⑸斗，％ eN ，物，··”ή (4) (b) 最大索引位置= 步驟二：藉由產生 < 個的混ί屯隨機數值序列。 步驟三：藉由混沌索引位置序列，選取混沌隨機數值序列 ，產生一維混沌攪亂序列 G(〇 = xmt ⑸ 叫? \=G〇OS^n ’ n=mj · 將原始心電圖/腦電波圖等生醫訊號與一維混沌攪亂序列 進行授亂，達成視覺加密的效果。 9 200821864 而所謂的「混沌洗牌策略」，係將攪亂後的心電圖/ 腦電波圖等生醫訊號的位置重新洗牌，進行排列組合，可 以進一步強化視覺加密的效果。其原理類似&利用混 池索引位址的排序將攪亂的心電圖/腦電波圖等生醫訊號 重新洗牌，並在接收端用相同的混沌索引位址排列將訊號 解谘回來，其混洗洗牌策略 Fcp描述如下： 步驟一：選一組混沌地圖 CMI^ 。 步驟二：輸入起始值&和洗牌策略長度Lf 步驟三：產生混沌索引位址相對應的位址”〗，，， ^j^LF 。 xn=CMTFcp(xnl) 若，捨棄nij執行步驟三。 否則，繼續執行下一步驟。 步驟四•比較 Dlj 與 Illk，1 ^ s y-Ι。 ,則丟棄這些點然後執行步驟 —一— 〇 否則，繼續執行下一步驟。 步驟五：若，中止程序並將mj輪出，⑷斗。 否則，執行以下程序： (a) n<r-n + l (b) j<r-j + \ (C)執行步驟三 圖（一）為ZF =16混、;屯洗牌策略的一個例子。 200821864

圖（二）混洗洗牌策略（‘=16 ) 經由實際模擬結果發現，圖（三）為原始心電圖與腦 波圖生醫訊號結合之混波圊形，其中心電圖生醫訊號一秒 鐘具有360個取樣值’腦波圖生醫訊號一秒鐘具有256個 取樣值；因此，我們將腦波圖±醫訊號昇頻為一秒鐘具有 口36〇個取樣值，與心電圖生醫訊號進行1:1混波，混波信 號-秒鐘具有720個取樣值，而混波信號經由⑴一維混 洗信號授亂機制⑵混洗洗牌策略，進行視覺加&，其加 游參數描述如下： SF =0.1 = 1〇6 ，均假設為混沌地圖c(v) ·· C(x,r)^rx(l^x)i 〇<χ<ι (7) ⑻ 装Φ ， : 义’，=^皆設定為（U 。藉由，調整加密參數， 我們可以増加視覺加密機制的強韌度或者是視覺加密的速 X達到即時加密的目的。圖（四）為混波信號經由一維 11 200821864一 混沌信號攪亂機制和混沌洗牌策略的視覺加密輸出信號。 在此圖中，醫師將無法判斷病患的心臟與腦相關疾病’加 密效果優越。與原始混波信號相比較，其Pearson相關係數 為0· 02，這裡，Pearson相關係數定義為：

2XV

Tlvjp -ί (Σν2 ΙΣΧ2

TlxP (9) ΠΓ 其中X和Y分別為原始混波訊號與加密後的混波訊號，N 為訊號的總長度。圖（五）和圖（六）為輸入正確解碼參 數後’所回復的心電圖生醫訊號與腦電波生醫訊號，和原 始心電圖生醫訊號與腦電波生醫訊號相比較，其最小均方 s、差刀別為1·331χ1〇-32和3971χ1〇-32 ，醫師可依據回復的心電 圖生醫訊號與腦電波生醫訊號進行相關之醫事判讀工作， 圖（七、^ 解六 圖（八）為輸入起始值有0· 000001%誤差時，所 所解密二電圖生醫訊號與腦電波生醫訊號。由圖中可知， 形，叙^電圖生醫訊號與腦電波生醫訊號均纟重失真變 進行相關之醫事判讀，加密效果相當良好。

100 汹 圖（ 心電圖與腦波圖生醫訊號結合之混波訊號 12 200821864

圖（四）混波信號經由一維混沌信號攪亂機制和混沌洗 牌策略的視覺加密輸出信號

圖（五）回復的心電圖生醫訊號（Μ5Ε = 1·331χ1(Γ32 )

圖（六）回復的腦電波圖生醫訊號（ΜΧΕ = 3·971χ10_32 ) 13 200821864

圖（七）輸入起始值有0.000001%誤差時，所解密的心電圖 生醫訊號

(八）輸入起始值有0.000001%誤差時，所解密 的腦電波圖生醫訊號 整理以上說明内容，可知本發明之混沌加密機制達成 上乃得透過電腦程式，或者是將電腦程式燒製成硬體方式 呈現’提供軟、硬體兩種不同實施模式，其中； 該電腦程式的加密架構主要包括：一維混沌攪亂信號 序列之產生、以及一維混沌洗牌信號序列； 在一維混池攪亂信好序列之產生步驟如下； 步驟1 ··選取混沌位址配置地圖（），並輸入起始點 Q SPf )、截取參數（〜、4 )和加密ECG/EEG信 號長度參數4，產生混沌序列1氏La ; 步驟2 :截取混洗序列1第nF +1之後的點，產生混先序 列 2 (yrtL=i，2,3...， 步驟3 :截取混洗序列2小於今的點，產生混沌序列3 }/j=l,2,3 ··· ’ 200821864 一一 步驟4 :將混沌序列3取倒數，產生序列4kL=u,3...; 步驟5 :將序列4四捨五入，產生整數序列5 kLu，3...; 步驟6 :選取序列.5中不相同的LF個值，產生混洗位址序 列 6 {/w„}w=s12 3 Lf ， 步驟7 :選取混沌信號值地圖並輸入起始點SPG和產生信 號序列長度參數< =max{w丄=12 ^ ，產生混、;屯信號 值序列7kL=K ; 步驟8 :藉由混沌位址序列6選取混沌信號值序列7，進 * r 而產生一維混洗攪亂信號序列〜 Ο 而在一維混、;屯洗牌信號序列的產生步驟如下： 步驟1 :選取混、;屯位址配置地圖（)，並輸入起始點 (処）、截取參數（〜、今）和加密ECG/EEG信 號長度參數尽，產生混沌序列1 {xii2i ; 步驟2 :截取混沌序列1第nF +1之後的點，產生混沌序 … 列 2 kUu..; 步驟3 :截取混沌序列2小於辱的點，產生混沌序列3 iZn }w=l,2,3... ' 步驟4 :將混沌序列3取倒數，產生序列4 kLm ; 步驟5 ··將序列4四捨五入，產生整數序列5 kU，23 ; 步驟6 :選取序列5中不大於且不相同的LF個值，產生混 洗位址序列6kU，34 ; 步驟7 :選取長度LF的心電圖生醫訊號fCGnn=i2 ^、並導入 一維混地攪亂序列，進而產生一維混沌洗 15 200821864 牌信號序列{v„ }„=12 & = {g„ }„=)Βι % 〜 Ο 而將之燒製成硬體時，主要係由一組混沌訊號攪亂位 址產生器（1 )、以及一組混沌訊號攪亂訊號產生器（2 )所組成，其中： 該混洗訊號授亂位址產生器（1 )，包括一可輸入起 始點（処）、截取參數（〜、4 )和加密ECG/EEG信號長 度參數zF以產生混沌序列1 {χ„}η=123之混沌地圖1 ( 1 1 ) 、一混沌序列記憶艎（12)、一可截取混沌序列1在第 nF+1之後的點以產生混沌序列2 kU，2,3...之信號截取器1 ( 1 3 )、一可截取混沌序列2小於4的點以產生混沌序列 3 kU，23之信號截取器2 (14)、一可將混沌序列3取 倒數以產生序列4 kLm.，並將序列4四捨五入以產生整 數序列5 {%}„=123整數序列產生器（15)、一選取序列5 中不相同的LF個值以產生混沌位址序列6 {%}_,2,3..A之比較 器（1 6 )、以及一混沌位址序列記憶體（1 7 ); 該混沌訊號攪亂訊號產生器（2)，包括一可輸入起 始點SPG和產生信號序列長度參數<=maxKU2,.^ 以產生 混沌信號值序列7kLK之混沌地圖2 ( 2 1 )、一混 沌信號值序列記憶韹（2 2 )、一序號擷取器（2 3 )、 以及一組一維混沌攪亂信號序列記憶體（2 4)。 總結以上說明，本發明乃設計了一個混沌視覺加密機 制應用於心電圖/腦電波圖整合混波生醫訊號之加密，由 模擬結果可知，藉由混沌理論的不可預測性質所設計的視 16 200821864 覺加密機制，加密效果相當優越。當輸入正確加密參數時 ，心電圖/腦電波圖生醫訊號可正確回復，當輸入起始值 有0· 000001%誤差時’所解密的心電圖生醫訊號冉腦電波生 醫訊號均嚴重失真變形，無法進行相關之醫事判讀，加密 效果相當良好。同時藉由調整加密參數，我們可以增加视 覺加密機制的強韌度或者是視覺加密的速度，達到即時加 密的目的，整體而言，卻有其實務上的利用價值，誠不失 為一優異之發明，爰依法提出專利申請。 【圖式簡單說明】 第1圖：係一維混、;屯視覺加密架構圖。 第2圖··係混洗擾亂加密流程圖。 第3圖：係混沌洗牌加密流程圖。 第4圖··係本發明之硬體架構圖 【主要元件符號說明】 (1 )混沌訊號攪亂位址產生器 (1 1 )混;屯地圖 (12)混沌序列記憶體 (1 3 )信號截取器1 (1 4)信號截取器2 (1 5 )整數序列產生器 (16) 比較器 (17) 混沌位址序列記憶體 (2 )混沌訊號攪亂訊號產生器 (2 1 )混池地圖 17 200821864 (2 2 )混沌信號值序列記憶體 (2 3)序號擷取器 (2 4 ) —維混沌擾，亂信號序列記憶體 18

Claims (1)

1. 200821864 < _ 十、申請專利範圍： 、1、一種混沌視覺加密機制，特別是針對心電圖/腦 電波圖等生醫醫療訊號在傳輸過程中之加密保護而創設的 加密機制m屯理論產生一組無法_客所破解之隨 機序列與原始生醫訊號相授亂，使得原始的生醫訊號變得 .…法辨識達到視覺加密之效果者，而其加密係、由電腦程式 依預設步驟所達成者；該電腦程式的加密架構主要包括： ,一維混沌攪亂信號序列之產生、以及一維混沌洗牌信號序 列；其中： 在一維混沌攪亂信好序列之產生步驟如下； 步驟1 :選取混沌位址配置地圖（)，並輸入起始點 (珥）、截取參數（〜、4 )和加密ECG/EEG信 號長度參數尽，產生混沌序列1 {&}λ=ι23 ; 步驟2 :截取混沌序列1第nF +1之後的點，產生混沌序 列 2 kL，2,3…； . 步驟3 :截取混沌序列2小於4的點，產生混沌序列3 {Ί，2,3… ’ 步驟4 :將混沌序列3取倒數，產生序列4 kUn ; 步驟5 :將序列4四捨五入，產生整數序列5 k}„=123 ; 步驟6 :選取序列5中不相同的LF個值，產生混沌位址序 列 6 {%}„=1，2,3."，4 ’ 步驟7 ··選取混沌信號值地圖並輸入起始點SPG和產生信 號序列長度參數< =maxK}w=12 ^ ，產生混沌信號 值序列 7 ， 200821864 步驟8 :藉由混沌位址序列6選取混沌信號值序列7，進 而產生一維混沌攪亂信號序列= 〇 而在一維混沌洗牌信號序列的產生步驟如下： 步驟1 :選取混沌位址配置地圖（)，並輸入起始點 (SPF )、截取參數（〜、4 )和加密ECG/EEG信 號長度參數4，產生混沌序列1 (Ί121 ; 步驟2 :截取混池序列1第nF +1之後的點，產生混、;屯序 列 2 2 3， 步驟3 :截取混沌序列2小於&的點，產生混沌序列3 iZn }«=1,2,3... ’ 步驟4 ·將混；屯序列3取倒數，羞生序列4 {%} 123 ； 步驟5 :將序列4四捨五入，產生整數序列5{>1；；11=123 ; 步驟6 :選取序列5中不大於且不相同的lf個值，產生混 沌位址序列6kU，^ ; 步驟7 ·選取長度LF的心電圖生醫訊號议㈣2 ^、並導入 一維混沌攪亂序列，進而產生 一維混沌洗 牌信號序列{v上，一 雷」、—種混純覺加密機制，特別是料心電圖/ 加密機2生號ί傳輸過程中之加密保護而創設 相觀，使得原始的生醫訊號變 辨識箱視覺加密之效果者，而其加㈣由-維混 20 200821864 -一 訊號攪亂器所達成者；其一維混沌訊號攪亂器係由一組混 沌訊號攪亂位址產生器、以及一組混沌訊號攪亂訊號產生 器所組成，其中： 該混沌訊號攪亂位址產生器，包括一可輸入起始點（ SPF )、截取參數（〜、4 )和加密ECG/EEG信號長度參數 4以產生混沌序列1 k}„=1，2,3..之混沌地圖1、一混沌序列記 憶體、一可截取混沌序列1第nF+1之後的點以產生混沌序 列2 kU2,3...之信號截取器1、一可截取混沌序列2小於4 ’ 的點以產生混沌序列3 kU,2,3...之信號截取器2、一可將混 沌序列3取倒數以產生序列4 kU2,3...，並將序列4四捨五 入以產生整數序列5 整數序列產生器、一選取序列 5中不相同的LF個值以產生混沌位址序列6 {Ί123.α之比 較器、以及一混沌位址序列記憶體； 該混沌訊號攪亂訊號產生器，乃包括一可輸入起始點 SPG和產生信號序列長度參數< =max{m丄=12 & 以產生混洗 信號值序列7 kU,2,...4之混沌地圖2、一混沌信號值序列 記憶體、一序號擷取器、以及一組一維混沌攪亂信號序列 記憶體。 21