[發(fā)明專利]基于FPGA平臺和演化硬件的圖像加解密系統(tǒng)及其方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010103572.4
• 申請日: 2010-01-27
• 公開（公告）號: CN101783924A
• 公開（公告）日: 2010-07-21
• 發(fā)明（設計）人: 王瓏;李元香;王峰;劉海峰;危明
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: H04N7/16
• 分類號: H04N7/16;H04N7/24
• 代理公司: 武漢科皓知識產(chǎn)權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 張火春

技術領域

本發(fā)明涉及信息加密、解密技術領域，特別涉及一種基于FPGA平臺和演化硬件的圖像 加解密及其方法。

背景技術

演化硬件(Evolvable?Hardware，EHW)是一種通過與環(huán)境的交互能動態(tài)的改變其自身結構 和行為的硬件電路。它具有自組織、自適應、自修復的能力，能適應不同環(huán)境要求和提高自 身性能。演化硬件的一般求解過程是：先采用演化算法對硬件電路配置串的演化，然后找出 符合要求的配置串進而用該配置串配置硬件電路。演化硬件的主要應用領域有：簡單電路的 自動設計，解決難定義的問題，創(chuàng)造自適應系統(tǒng)，創(chuàng)造容錯系統(tǒng)和難理解設計領域的設計創(chuàng) 新。在圖像處理方面，主要應用有數(shù)字濾波器的設計和圖像邊緣檢測等應用，Kyrre?Glette使 用FPGA將演化硬件應用于圖像識別也取得了良好的效果(Glette，K.，Torresen，J.，Yasunaga， M.，Yamaguchi，Y.：On-chip?evolution?using?a?soft?processor?core?applied?to?image?recognition.In： Proc.of?the?First?NASA/ESA?Conference?on?Adaptive?Hardware?and?Systems(AHS?2006)，Los Alamitos，CA，USA，IEEE?Computer?Society(2006))。

細胞自動機(Cellular?Automata，CA)是一種時間、空間和狀態(tài)都離散的動力系統(tǒng)，由于其 具有規(guī)整、模塊化以及內(nèi)在并行性，便于軟件和硬件實現(xiàn)等特點，使得細胞自動機尤其適合 應用于密碼學。1985年，Wolfram首次利用細胞自動機來生成密鑰流，但該方法有兩個弱點： 首先是生成的密鑰流不具有最長周期；其次是安全性不夠高。此后很多研究表明，可以通過 提高細胞自動機結構的復雜性，如提高CA的維數(shù)或采用動態(tài)規(guī)則等方法來提高密鑰流的周 期和安全性(即隨機性)(夏學文，李元香，曾輝.基于耦合觸發(fā)細胞自動機的圖像加密算法[J]. 計算機科學，2009)。2004年，張傳武提出了一種基于觸發(fā)細胞自動機的加密算法，該算法 具有較大的密鑰空間和較簡單的硬件結構，很適合FPGA實現(xiàn)。但是并不是所有的規(guī)則都能 作為密鑰，傳統(tǒng)的設計方法對密鑰的設計和加密是分離的，而且必須事先設計一組密鑰集合， 靈活性差。

發(fā)明內(nèi)容

為解決細胞自動機圖像加密安全性問題和效率問題，本發(fā)明提供了基于FPGA平臺和演 化硬件的圖像加解密方法并予以系統(tǒng)實現(xiàn)。

本發(fā)明提供的一種基于FPGA平臺和演化硬件的圖像加解密系統(tǒng)，所述FPGA平臺包括 PLB總線、OPB總線和作為處理器的PowerPC，PowerPC連接到PLB總線，PLB總線與OPB 總線通過總線橋連接；在FPGA平臺中設置以下各部分：

與OPB總線連接的硬件IP核，包括可配置胚胎電路IP核，用于產(chǎn)生加密規(guī)則和解密規(guī) 則；細胞自動機圖像加密IP核，用于根據(jù)可配置胚胎電路IP核所提供加密規(guī)則對圖像數(shù)據(jù) 加密；細胞自動機圖像解密IP核，用于根據(jù)可配置胚胎電路IP核所提供解密規(guī)則對圖像數(shù) 據(jù)解密；功能選擇IP核，用于決定使用細胞自動機圖像加密IP核或細胞自動機圖像解密IP 核處理圖像數(shù)據(jù)；

在PowerPC上實現(xiàn)的遺傳算法模塊和中央控制模塊，遺傳算法模塊用于演化求解可配置 胚胎電路IP核的配置串，中央控制模塊用于協(xié)同硬件IP核實現(xiàn)對圖像數(shù)據(jù)加密或解密；

與OPB總線連接的非易失性存儲器，用于存儲圖像數(shù)據(jù)。

而且，所述可配置胚胎電路IP核中的可配置胚胎電路由8行8列基本邏輯單元構成，每 個基本邏輯單元有三輸入一輸出，每個輸入從前一列的基本邏輯單元的輸出中選擇一個，具 體選擇由配置串決定；每個基本邏輯單元的功能由基本邏輯單元的函數(shù)決定，函數(shù)類型由配 置串決定；

可配置胚胎電路IP核的輸入包括原文數(shù)據(jù)項和遺傳算法模塊所提供配置串，輸出為密文 數(shù)據(jù)項；

同一配置串對應的加密規(guī)則和解密規(guī)則相同，由配置串生成加密規(guī)則或解密規(guī)則的方式 為，設加密或解密的半徑為r，則原文數(shù)據(jù)項為2r+1位，密文數(shù)據(jù)項為1位，生成過程包括 以下步驟，

步驟2.1，用一個配置串配置可配置胚胎電路IP核中的可配置胚胎電路；