發(fā)布時間：2018-09-03 15:14

【摘要】：當今信息化時代,無論國家、單位和個人的很多重要信息,都是以數(shù)字圖形、圖像、視頻的形式存在。這些圖像視頻文件的存儲和傳輸,不可避免地面臨著被竊取和攻擊的危險,因此圖像視頻文件的加解密研究是信息安全保密研究領(lǐng)域的一個重要研究方向,世界各國都投入了巨大力量從事這方面的理論研究和系統(tǒng)、設(shè)備的開發(fā)。信息加解密和密碼學是一門歷史悠久的學科,在不同的歷史時期,針對不同的加密數(shù)據(jù)對象,需要不同的理論及實現(xiàn)方法。本課題針對實時視頻數(shù)據(jù)流,從設(shè)計實現(xiàn)成本的角度考慮,綜合分析視頻流數(shù)據(jù)特點及其對設(shè)計資源的需求,采用一款低成本FPGA開發(fā)板,實現(xiàn)了改進的Arnold-Logistic混合加解密算法,設(shè)計完成了視頻圖像實時加密系統(tǒng)并進行了硬件演示驗證。論文主要工作包括對視頻傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行分析,在此基礎(chǔ)上,把視頻加密系統(tǒng)的設(shè)計分作三大步驟來實現(xiàn):即視頻圖像直通平臺的搭建、視頻圖像數(shù)據(jù)流加密模塊的設(shè)計、系統(tǒng)各個功能模塊及最終系統(tǒng)的仿真驗證。整體設(shè)計工作是基于一款Altera Cyclone II EP2C5Q208C8N FPGA開發(fā)板及其開發(fā)環(huán)境完成的。視頻圖像直通平臺,主要是采用Verilog硬件描述語言設(shè)計實現(xiàn)。首先通過FPGA配置CMOS圖像傳感器OV7670的內(nèi)部寄存器,使其輸出像素為640x480的VGA視頻圖像數(shù)據(jù)流;然后FPGA正確捕獲送來的視頻圖像數(shù)據(jù),并送到外部64MB的SDRAM芯片中緩存;最后從SDRAM中提取圖像數(shù)據(jù)送到VGA接口驅(qū)動模塊,驅(qū)動外部顯示器顯示實時視頻圖像,方便驗證直通平臺以及后續(xù)圖像處理后的效果。視頻圖像數(shù)據(jù)的加密模塊部分,主要采用模型設(shè)計方式來實現(xiàn)。首先在Matlab的Simulink平臺下,調(diào)用DSP Builder工具箱的標準庫中模塊來搭建正確的圖像加密模型;然后調(diào)用Signal Compiler模塊把DSP Builder模型轉(zhuǎn)換成VHDL硬件描述語言文件,并啟動Quartus編譯綜合、布局布線,最終生成圖像加密算法模型腳本文件;最后,在搭建好的視頻圖像直通平臺的工程中調(diào)用加密算法模塊,完成整個系統(tǒng)的設(shè)計。仿真驗證工作貫穿在整個設(shè)計的各個環(huán)節(jié)。每個模塊以及整個系統(tǒng)都需要經(jīng)過很多次重復的設(shè)計、仿真驗證、修改設(shè)計工作,最終才能得到性能穩(wěn)定、功能滿足設(shè)計指標的系統(tǒng)。設(shè)計中主要是通過Modelsim、Quartus II和Simulink中自帶仿真驗證工具來實現(xiàn)軟件仿真,并通過DSP Builder的在線測試以及配置到FPGA中來實現(xiàn)硬件仿真。通過采用自頂向下的設(shè)計方法,對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能模塊進行合理劃分,然后分別實現(xiàn)各個子模塊,最終搭建實現(xiàn)整體系統(tǒng)。最終,在一片Cyclone II芯片上,實現(xiàn)對CMOS圖像傳感器采集到的視頻圖像執(zhí)行實時流加密操作。
[Abstract]:In the information age, many important information of countries, units and individuals exist in the form of digital graphics, images and videos. The storage and transmission of these image and video files inevitably face the danger of being stolen and attacked. Therefore, the research on encryption and decryption of image and video files is an important research direction in the field of information security and security. Countries all over the world have invested a great deal of energy in this field of theoretical research and system, equipment development. Encryption and decryption of information is a subject with a long history. In different historical periods, different theories and methods are needed for different encrypted data objects. This paper aims at real-time video data flow, considering the cost of design and implementation, synthetically analyzes the characteristics of video stream data and its demand for design resources, and uses a low-cost FPGA development board to realize the improved Arnold-Logistic mixed encryption and decryption algorithm. The real-time encryption system of video image is designed and verified by hardware demonstration. The main work of this paper is to analyze the structure of video transmission system. On this basis, the design of video encryption system is divided into three steps: the construction of video image through platform, the design of video image data stream encryption module. Each function module of the system and the simulation verification of the final system. The whole design work is based on a Altera Cyclone II EP2C5Q208C8N FPGA development board and its development environment. Video image through platform is mainly designed and implemented by Verilog hardware description language. Firstly, the internal register of CMOS image sensor OV7670 is configured by FPGA to output the VGA video image data stream whose pixel is 640x480, and then FPGA correctly captures the sent video image data and sends it to the SDRAM chip of the external 64MB to cache. Finally, the image data is extracted from the SDRAM and sent to the VGA interface driver module to drive the external display to display the real-time video image, which is convenient to verify the effect of the straight-through platform and the subsequent image processing. The encryption module of video image data is mainly implemented by model design. In the Simulink platform of Matlab, the standard library module of the DSP Builder toolbox is called to build the correct image encryption model, and then the DSP Builder model is converted into the VHDL hardware description language file by the Signal Compiler module, and the Quartus compilation and synthesis are started, and the layout and routing are started. Finally, the model script file of image encryption algorithm is generated. Finally, the encryption algorithm module is called in the project of building a good video image through platform to complete the design of the whole system. The simulation and verification work runs through every link of the whole design. Each module and the whole system need many repeated design, simulation verification, modification of the design work, and finally can get a stable performance, function to meet the design specifications of the system. In the design, the software simulation is mainly realized by Modelsim,Quartus II and Simulink, and the hardware simulation is realized by the on-line test of DSP Builder and the configuration of FPGA. By adopting the top-down design method, the system structure and function modules are divided reasonably, and each sub-module is realized, finally the whole system is built and implemented. Finally, real-time stream encryption is implemented on a Cyclone II chip for video images captured by CMOS image sensors.
【學位授予單位】：西安科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN791;TP309.7

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本文編號：2220354