新型加密算法的DSP平台设计

仇润鹤，刘仕辉

（1.东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620；2.东华大学 数字化纺织服装技术教育部工程研究中心，上海201620）

新型加密算法的DSP平台设计

仇润鹤1，2，刘仕辉1，2

（1.东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620；2.东华大学 数字化纺织服装技术教育部工程研究中心，上海201620）

基于研制以DSP为核心的混沌图像加密系统的目的，本文论述了一套采用TMS320DM642为核心的硬件平台，并利用集成开发工具CCS软件开发的图像加密系统；系统采用TVP5150PBS实现模拟信号的采集处理，利用SAA7121H实现图像信号的编码与输出。文中给出了硬件实现框图，分别介绍了DSP实验平台的各模块和其结构功能，并将该系统下载到芯片进行硬件验证，测试结果表明该系统稳定、有效地实现了图像的加密与处理。

图像加密；DSP；CCS；采集；编码

近年来由于信息产业的进步，图像加密技术已得到广泛应用，其中基于混沌的图像加密系统成为关注热点之一。对于混沌的图像加密系统的硬件实现，相比于以前利用FPGA系统实现加密，数字信号处理器（DSP）具有运算速度快，处理数据信息量大等特点，能处理实时性的图像信号和视频信号，适合研制成基于置乱与扩散融合的超混沌彩色图像加密系统。

针对图像加密的实际应用性，近年来国内外已经有多种基于DSP的加密系统设计：文献［1］提出的是以DSP为平台，实现数字图像的混沌加密及硬件实现方法，它是基于芯片型号为TMS32 0VC5509A的DSP为硬件平台，用灰度图像作为处理图像，设计了Chen混沌序列对数字图像进行加密与解密算法，给出了DSP硬件实现。测试结果表明该系统改善了安全性、提高了速度、满足了实时性要求。同样，文献［2］也是基于浮点型的DSP平台设计了系统，不同的是它通过该系统实现图像复原，这正好是加密系统的逆变换，通过验证表明该系统相比于流媒体技术具有更快的处理速度。文献［3］中，凭借DSP具有强大的系统性功能，并对DSP芯片在实时图像处理系统中的应用进行了分析，希望对图像处理领域提供帮助。为此，本文论述了一套采用TMS320DM642为核心的硬件平台，并借助于集成开发工具CCS软件为核心的混沌图像加密系统。相比于C5000系列芯片，TMS320DM642具有更快的运算速度和对数据流的处理；算法上面采用的复合混沌加密算法不但具有实时性图像处理能力，同时还具有加密和抗破译效果。

1　系统描述

该系统采用视频解码电路TVP5150PBS实现模拟信号的采集处理，利用视频编码电路SAA7121H实现图像信号的编码与输出。图1为文中给出的加密系统中TMS320DM642分别与TVP5150PBS和SAA7121H的硬件链接原理框图。

图1　TMS320DM642与TVP5150PBS、SAA7121H接口电路图

如图1所示，TMS320DM642是通过串行时钟信号SCL和串行数据线SDA配置TMS320DM642分别与TVP5150PBS 和SAA7121H［4］。配置结束后，TVP5150PBS按照指定的工作模式采集数据，通过信号SCLK、Yout和INTREQ将采集到数据送到TMS320DM642中进行处理，TMS320DM642中将处理后的数据再通过VP0_CLK1、VP0CTL0和VP0CTL1传输到SAA7121H中后输出。系统由以下几个部分组成:

信号解码模块：主要是解码器TVP5150PBS通过I/O端口获取CCD上传输来的图像信号，并对图像信号进行解码，以获得机器可以识别的串并联信号，再进行串并转换。

图像加密模块：把解码以后的信号通过混沌系统方程产生的混沌序列，进行置乱与扩散处理。

信号编码模块：将加密处理后的信号并串转换，并按照指定时序将信号传输到SAA7121H中去进行编码输出。

2　硬件设计与处理

2.1信号解码模块

该模块主要由控制模块、数据读取模块、I2C总线和分频器组成。

分频器 （clk_divider）：SEED-VPM642平台上输入时钟CLKIN 为50MHz，LCKMODE［1:0］上拉或下拉为10，及片内PLL（锁相环）设置为×12，故CPU内核频率为600 MHz。由于内核频率很高，所以必须对其进行分频，以输出能够满足I2C总线要求的I/O端口数据传输速率。经分频输出满足I2C总线要求的I/O数据传输速率。

总线模块:主要产生I2C总线的时序，配置TVP5150PBS寄存器的读写。

控制模块：利用状态机来控制系统各模块的工作顺序。当输出start为高电平时执行I2C模块配置TVP5150PBS，当配置结束时输出out为高电平，开始执行DSP的数据采集。

DSP数据传输模块:按照总线模式通过I/O端口读写数据并进行串并转换。

在系统上电时，DSP需要配置TVP5150PBS的控制寄存器，使其按照指定模式工作。TVP5150PBS的配置接口支持I2C模式，I2C总线时序图［5］如图2所示。

由I2C总线时序图可以看出，完整周期的数据传送过程中有下面几种信号：

Start信号：在SCL保持为高电平时，SDA由高电平向低电平变化时开启I2C总线。

图2　I2C总线完整数据时序图

Stop信号：在SCL保持高电平时，SDA由低电平向高电平转换时结束I2C总线。

反馈信号：在数据传输过程中，SDA是双向总线，所以在传输时需要接受来自接收端的反馈信号以确定是否继续传送数据。

I2C总线在传送数据时，必须要保证在SCLK为高电平时SDA上数据要稳定，否则就误判为Start或Stop信号。

TVP5150PBS作为I2C总线的从设备，最多可配置2个，一条I2C总线只能同时访问 2个 TVP5150TVP5150PBS，而SEED-VPM642模板上有4个TVP5150PBS，所以用总线切换的方式将I2C分成两组，总线切换由DM642的GP0［0］口来控制。

初始化TVP5150PBS操作时［6］，利用状态机按如下过程完成:

Step1:DSP产生一个起始条件；

Step2:DSP发出一个TVP5150PBS的地址，并注明读/写操作，等待响应；

Step3:接受到TVP5150PBS的响应后，DSP发出要配置的寄存器地址，等待TVP5150PBS响应；

Step4:接收到TVP5150PBS的响应后，发送要配置的数据，等待TVP5150PBS响应；

Step5:接收到TVP5150PBS的响应后，发送停止位，结束一次配置。

在进行配置寄存器时，TVP5150PBS需要一段时间延时来完成当前的配置，此时TVP5150PBS保持SCLK为低，通知DSP配置尚未完成。延时配置需要的最大延时为64us，编程如下：

2.2信号加密模块

本文的信号加密模块，主要是对采集到的图像信号进行置乱与扩散处理。

设经过A/D采样后的数字信号为X［n］，通过预处理后的密钥值，在通过公式（1）的混沌方程：

经多次迭代可得到伪随机序列Y［n］，把X［n］与Y［n］通过置乱与扩散处理即可得到加密序列。扩散方式如下：

给定初值 x10，x20，x30；r、c、h分别为明文像素中水平、竖直、斜对角线上若干数值的和。

系统的软件设计是在TI提供的开发调试环境CodeComposer Studio（CCS）中完成的，该软件设计是基于 DSP/BIOS［7-8］构架的。

图像加密的具体操作流程：

1）首先从捕获队列中获取一个图象帧的句柄，也就是首地址；

2）其次以这个缓冲区为图象数据的源做处理；

3）将处理过的图象COPY到申请好的显示队列的帧缓冲句柄；

4）执行缓冲入队操作。

基本代码如下所示：

在主函数main（）中，对程序的执行参数进行介绍，并调用函数JM（）进行明文图像的加密或解密操作。

2.3编码模块

编码解码模块由分频器模块、控制模块、I2C模块和数据传输模块组成，主要是在SAA7121内对处理后的输出信号进行并串转换，然后将其按照指定的时序模式传递信号，最终转换成模拟信号输出。图3为数据信号的传输时序。

图3　数据信号的传输时序

由图3所示，LLC时钟频率为27 MHz，TLLC是一个LLC时间周期，δ代表高低电平的空占比 （tHIGH/tLOW），tr是上升时间（20％—80％），tf是下降时间（20％—80％），tsu:DAT、tHD: DAT分别指的是数据信号的输入起始时间（set-up time）和输入保持时间（hold time）。

3　系统测试

为了方便对结果的分析，本文使用单一的图像而不是视频作为CCD摄像机的输入。为了方便DSP端程序的测试，将程序固化到TMS320DM642板上。在实际使用FlashBurn时，首先要将DSP工程编译生成的.out文件用TI的十六进制转换工具转换为HEX文件，然后先下载FBTC，再下载HEX。

图像加密步骤如下：

Step1：从算法程序中调用预处理后的加密密钥。

Step2：使用FlashBurn将程序烧入DM642板上。

Step3：在CCD摄像头前放置固定图片。

Step4：在液晶屏上观察原图像与加密图像。

把图像文件通过仿真器下载到PC上加以分析，得到图4、图5两幅同一图像的加解密图像对比。

图4　原明文图像

图5密文图像

图4、图5两幅图像的对比可以得出，该系统有加密效果。但是加密的密钥是否对明文和密文极度依赖和敏感，必须通过检测在密钥泄露与否的情况下密文图像还能正常解密，图6所示的就是在仅知道密钥前提下解密的图像；图7测试的就是正确的解密图像。

图6　错误的解密图像

图7正确的解密图像

图6、图7两幅解密图片可以看出该加密算法对明文极度敏感；即有较强的抗破译性。

然而在现实生活中，图像数据在传输中肯定会有许多噪声干扰，那么，好的加密算法也要有一定的抗噪声能力，最后对该加密算法的抗干扰能力进行了测试，并把原图像和加噪声后还原的图像进行了对比，结果如图8、图4所示。

通过与原明文图像的对比可以看出，解密的图像仍然可以看得比较清晰，所以该算法的抗噪性能是比较好的。

通过该系统对一帧图像进行的测试可以得出，一种好的基于DSP的加密系统，在算法上它不仅能够加密，同时也要考虑众多因素：

1）该加密算法的密钥空间是否足够大，是否能够有效抵御强力攻击；

2）加密算法是否对图像灰度值产生置乱与扩散，密文分布与相邻像素值是否随机均匀和不相关，从而抵御统计攻击；

3）此种加密算法是否对明文极端敏感，以便能够有效抵御差分攻击。同时在硬件平台上，DSP测试平台是否具有实时性，快速性。这些都将是设计一种DSP加密系统的制约因素。而本文的系统设计，由测试结果可以看出很具有实际应用性。

图8　加高斯白噪声解密图

4　结　论

文中较详细的讨论了一种基于TMS320DM642的DSP硬件平台实现了混沌图像的加密系统的设计，系统分别应用了TVP5150PBS和SAA7121H实现了图像信号的采集解码处理与信号的编码输出处理。并借助于集成开发软件CCS对系统进行测试，得出该系统可以有效地对图像进行加密。

［1］何丹，李敬园.基于Chen系统的DSP混沌图像加密［J］.电子设计工程，2013，21（255）:26-32.

［2］Rajan K，Patnaik L K.CBP and ART image reconstruction algorithms on media and DSP processors［J］.Microprocessors and Microsystems，2011，25（5）:233-238.

［3］宋琦.DSP芯片在实时图像处理系统中的应用分析［J］.电子技术与软件工程，2015（9）:124-130.

［4］徐阳.基于DM642的自动目标跟踪系统设计［D］.重庆:重庆大学，2013.

［5］赵彬.嵌入式系统PCI总线接口设计 ［J］.红河学院学报，2006，24（15）:96-103.

［6］李群林.基于图像技术的核电站汽轮机蒸汽湿度测量方法的研究［D］.湖南:湖南大学，2007.

［7］彭启踪，管庆.DSP集成开发环境一一一CCS及DSP/BIOS的原理与应用［M］.北京:北京电子工业出版社，2005.

［8］严新忠，刘喆.基于DSP/BIOS设备驱动模型的视频驱动程序开发［J］.现代电子技术，2008.

Design of a DSP platform based on a new image encryption algorithm

QIU Run-he1，2，LIU Shi-hui1，2
（1.College of Information Sciences and Technology，Donghua University，Shanghai 201620，China；2.Engineering Research Center of Digitized Textile＆amp;Fashion Technology，Ministry of Education，Donghua University，Shanghai 201620，China）

Based on the purpose of developing the chaotic image encryption system which uses DSP as the core unit，this essay discusses a system based on TMS320DM642 as the core of hardware well as the help of integrated development tool CCS as the core of software platform.System makes the acquisition and processing of analog signal by use of TVP5150PBS and achieves encoding and output of the image signal by use of SAA7121H.This essay presents the framework of this hardware and introduces the structures and functions of each module of DSP experimental platform.Besides，this system has been downloaded to the chip for hardware verification and it proves that the system could do encryption and procession of the image stably and effectively.

image encryption；DSP；CCS；acquisition；encoding

TN98

A

1674－6236（2016）16-0180-04

2015-08-21稿件编号：201508118

上海市教委科研创新重点项目（12zz059）

仇润鹤 （1962— ），男，上海人，博士，教授。研究方向：通信与信息系统、信号检测和处理、宽带无线通信与应用、无线远程监控系统、图像加密处理。