基于SOC的数字视频加解密系统研究

论文摘要

在信息社会里,信息在传输过程中的保密要求日益被人们所重视。视频信息作为现代信息内容的主体,在其传输的过程中如何对它进行保密处理已经逐渐成为非常重要的话题。随着电子学的发展,SOC片上系统设计─未来电子设计的方向,其集成度高,保密性好,抗干扰能力强,功耗低等特点跟以往ASIC专用集成电路设计相比具有无可比拟的优越性,这就使得它在处理数字视频信号方面具有很多优点。本文从SOC的角度实现了数字视频信号加解密系统的设计。本设计充分利用Actel公司最新推出的基于FPGA的SOC解决方案─以ARM7嵌入式软核处理器为核心,联合其他知识产权核,创建用户自己的数字视频处理芯片,实现数字视频信号的采集输入、加密处理和输出显示三部分主要功能。文章首先给出了数字视频,SOC系统的大概描述,然后对数字视频加解密的原理作了一般介绍,最后着重阐述了整个系统的硬件部分设计和软件部分设计。硬件方面,通过描述系统各个硬件部分的结构和功能,尤其加密主体的功能模块,实现硬件环境的构造。软件方面,给出了ARM7系统的启动代码和部分外设的驱动程序设计,以及在目标板上实现基于骑士巡游变换和Arnold变换相结合的复合置乱加、解密应用程序设计,实现软件环境的构造。最后为了提高开发器处理图像的速度,对原先需要查找巡游矩阵的做法进行了适当改进,提出了一种基于映射表的实现方法,处理图像的速度提高了近30倍。为验证本设计的正确性,本文在开发板上做了多组加密实验。包括:Arnold变换实验、骑士巡游实验、复合加密实验;由于引入了密钥,所以本设计能够有效遏制恶意破解密图的行为;最后为检验设计的安全性和鲁棒性做了诸如:抗裁减,抗破坏和抗噪声等实验。总而言之,本设计有很好的置乱效果和安全性以及鲁棒性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 背景及其意义
• 1.2 论文主要内容
• 第二章 数字视频与SOC片上系统设计
• 2.1 数字视频介绍
• 2.1.1 数字视频的概念
• 2.1.2 从模拟视频到数字视频
• 2.1.3 数字视频信号的保存和描述
• 2.2 数字视频信号标准和特点
• 2.2.1 数字视频标准
• 2.2.2 数字视频优点
• 2.3 SOC 片上系统设计
• 2.3.1 SOC 设计综述
• 2.3.2 基于 FPGA 的 SOC 设计数字视频信号处理器的优越性
• 2.3.3 SOC 嵌入式系统开发一般流程
• 2.4 本文中的视频信号处理基本原则
• 第三章 数字视频信号加解密算法
• 3.1 图像加密与置乱算法介绍
• 3.1.1 信息隐藏技术与数字图像加密
• 3.1.2 数字图像置乱与反置乱的原理与发展历程
• 3.1.3 数字图像置乱效果评价角度
• 3.2 Arnold 置乱算法
• 3.2.1 Arnold 置乱算法原理
• 3.2.2 Arnold 反置乱算法原理
• 3.2.3 Arnold 置乱算法优缺点分析
• 3.3 骑士巡游置乱算法
• 3.3.1 骑士巡游置乱算法原理
• 3.3.2 骑士巡游反置乱算法原理
• 3.3.3 骑士巡游算法优缺点分析
• 3.4 基于 Arnold 变换和骑士巡游变换相结合的复合置乱算法
• 3.4.1 基于Arnold 变换和骑士巡游变换相结合的复合置乱算法原理
• 3.4.2 基于Arnold 变换和骑士巡游变换相结合的复合反置乱算法原理
• 第四章 SOC 硬件设计
• 4.1 FPGA 开发一般流程
• 4.2 Actel CoreMP7 开发套件介绍
• 4.3 视频采集输入
• 4.4 加密主体硬件设计
• 4.4.1 CoreMP7 系统架构及生成
• 4.4.2 开发套件硬件接口的 VHDL 设计
• 4.4.3 系统及接口的仿真测试
• 4.4.4 FPGA 的配置文件生成及烧录
• 4.5 视频输出显示
• 第五章 SOC 软件设计
• 5.1 CoreMP7 软件调试环境介绍
• 5.2 ARM7 及 启动代码 Bootloader 设计
• 5.3 加密主体软件设计与调试
• 5.3.1 地址空间分配
• 5.3.2 位图文件数据结构
• 5.3.3 复合加密解密应用程序设计
• 5.3.4 骑士巡游算法，Arnold 算法及复合算法目标板加解密实验分析
• 第六章 总结和展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录一 硬件接口程序设计
• 附录二 嵌入式加解密应用程序设计