基于FPGA的视频图像加密系统的设计与实现

论文摘要

视频图像加密是对数字视频信号保密传输的一个重要手段。当今社会,信息的保密及安全问题日益被人们所关注。视频信息作为现代信息的一个主要载体,如何在其传输过程中对其进行加密处理进而保护个人隐私以及政府机关等部门的重要信息,已经成为当前非常重要的研究课题。随着可编程逻辑器件的发展,FPGA的应用为高速数字视频图像处理提供了新的解决方案,当前基于FPGA的图像处理系统成为研究的热点。充分利用FPGA的并行性和灵活性,在本质上提高了图像处理的速度,不但降低了成本,而且对大数据量的图像处理的实时性也达到了令人满意的效果。本文的视频图像加密系统是基于Altera公司DE2-70开发平台设计完成的。系统使用的是Cyclone Ⅱ系列的EP2C70 FPGA。整个系统的设计采用了软硬件协同的实现方法。硬件方面：在系统的总体需求分析的基础上,通过对系统各个硬件模块的设计,完成了对NIOS Ⅱ处理器的定制。系统主要由图像的采集输入模块,图像的加密处理模块和图像显示输出模块三个模块组成。软件方面：在PC机用C语言实现拟采用的视频图像加密算法,评价算法性能,通过对Arnold变换和骑士巡游变换两种常用的视频图像加密算法的对比分析,选定了基于Arnold变换和骑士巡游变换相结合的复合置乱加密算法对视频图像进行加解密处理。在Nios Ⅱ IDE环境下采用C语言对算法进行编程并调试。最后对整个系统使用的资源情况进行分析,对图像加密的效果进行评测。通过对硬件模块和软件程序的协同调试,使其达到对数字视频图像加密处理的设计要求。经测试,在DE2-70开发平台上实现的视频加密系统,在100MHz的时钟频率下,对一幅640x480大小的灰度图像完成一次加密需要大约670.8ms时间。系统实现了所需的功能,具有良好的可靠性和可移植性,占用资源较少,成本较低,具有广泛的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.2 课题研究现状
• 1.2.1 视频加密发展现状
• 1.2.2 数字图像加密方法研究现状
• 1.2.3 基于FPGA的视频图像处理发展现状
• 1.3 论文组织结构
• 第2章 相关技术及背景知识介绍
• 2.1 数字视频相关知识介绍
• 2.1.1 视频信号数字化
• 2.1.2 数字图像的数学表示方法
• 2.1.3 数字视频信号的格式
• 2.1.4 数字视频通信标准
• 2.2 系统开发相关技术介绍
• 2.2.1 DE2-70开发平台
• 2.2.2 CMOS图像传感器
• 2.2.3 系统相关软件开发平台
• 2.2.4 Avalon总线
• 2.3 本章小结
• 第3章 系统总体设计
• 3.1 系统的功能介绍
• 3.2 系统层次模块
• 3.3 系统总体构架
• 3.4 本章小结
• 第4章 系统硬件设计与实现
• 4.1 系统主要硬件资源
• 4.2 系统硬件模块设计
• 4.2.1 图像采集输入模块
• 4.2.2 图像加密处理模块
• 4.2.3 图像输出显示模块
• 4.3 SOPC系统设计
• 4.4 本章小结
• 第5章 图像置乱加密算法及系统软件设计
• 5.1 图像置乱加密算法
• 5.1.1 图像加密与置乱算法介绍及分类
• 5.1.2 Amold置乱算法
• 5.1.3 骑士巡游置乱算法
• 5.1.4 基于Amold变换和骑士巡游变换相结合的复合置乱算法
• 5.2 系统软件的设计与实现
• 5.2.1 主程序的设计流程
• 5.2.2 系统初始化
• 5.2.3 加密过程
• 5.2.4 解密过程
• 5.2.5 NIOS Ⅱ软件代码编译优化
• 5.3 本章小结
• 第6章 系统测试分析
• 6.1 系统调试
• 6.1.1 系统硬件调试
• 6.1.2 系统软件调试
• 6.2 系统运行结果分析
• 6.2.1 系统测试结果
• 6.2.2 系统资源分配及性能指标
• 6.3 遇到问题及解决办法
• 6.4 本章小结
• 第7章 结束语
• 7.1 工作总结
• 7.2 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢