基于FPGA的视频图像加密系统设计与实现.doc

1、 分类号 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼密 草鱼级 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼U 草鱼 D 草鱼 C 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼草鱼 草鱼学 草鱼 草鱼位 草鱼 草鱼论 草鱼 草鱼文 草鱼 基于 FPGA 的

2、 视频图像加密 系统的设计与实现 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 作 草鱼 者 草鱼 姓 草鱼 名 草鱼 ： pork 宫廷 指 草鱼 导 草鱼 教 草鱼 师 草鱼 ： pork 马学文 草鱼 副教授 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 东北大学信息科学与工程学院 申请学位级别 ： pork 硕士 学 草鱼 科 草鱼 类 草鱼 别 草鱼 ：por k 工学 学科专业名称 ： pork 电路与系统 论文提交日期 ： pork 2011 年 6 月 论文答辩日期 ：por k 2011 年 6 月 学位授予日期 ： pork 答辩委员会主席 ： por

3、k 李晶皎 评 草鱼 草鱼 阅 草鱼 草鱼 人 草鱼 草鱼 ： pork 李景宏 草鱼 苑薇薇 草鱼 东 草鱼 北 草鱼 大 草鱼 学 草鱼 2011 草鱼 年 草鱼 6 月A 草鱼 Thesis 草鱼 in 草鱼 Circuit 草鱼 and 草鱼 System 草鱼 草鱼 草鱼 Design 草鱼 and 草鱼 Implementation 草鱼 of 草鱼 video 草鱼 image 草鱼 encryption 草鱼System 草鱼 Based 草鱼 on 草鱼 FPGA 草鱼 By 草鱼 Gong 草鱼 Ting 草鱼 Supervisor: 草鱼 Associate 草鱼 Pro

4、fessor 草鱼 Ma 草鱼 Xuewen 草鱼 Northeastern 草鱼 University 草鱼 June 草鱼 2011 草鱼 草鱼 -I- 独创性声明 草鱼 本人声明 ， 鲤鱼 所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的 。 草鱼 论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外 ， 鲤鱼 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 ， 鲤鱼 也不包括本人为获得其他学位而 使用过的材料 。 草鱼 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 。 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼

5、草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼学位论文作者签名 ： pork草鱼 日 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼期 ： pork草鱼 学位论文版权使用授权书 草鱼 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留 、 pork使用学位论文的规定 ： pork即学校有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 ，鲤鱼 允许论文被查阅和借阅 。 草鱼 本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 、 pork交流 。 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后 ： pork草鱼 草鱼 半年 草鱼 草鱼

6、草鱼 草鱼 一年 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼一年半 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼两年 草鱼 草鱼 学位论文作者签名 ： pork 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼导师签名 ： pork草鱼 签字日 期 ： pork 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼签字日期 ： pork草鱼 草鱼 东北大学硕士学位论文 摘要 -II- 基于 FPGA 的 视频图像加密系统的 设计与实现 草鱼 摘 草鱼 草鱼 要 草鱼 视频图像加密 是对数字视频信

7、号保密传输的一个重要手段 。 草鱼 当今社会 ， 鲤鱼 信息的保密及安全问题日益被人们所关注 。 草鱼 视频信息作为现代信息的一个主要载体 ， 鲤鱼 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 ， 鲤鱼 已经成为当前非常重要的 研究课题 。 草鱼草鱼 随着可编程逻辑器件的发展 ， 鲤鱼 FPGA 的应用为高速数字视频图像处理提供了新的解决方案 ， 鲤鱼 当前基于 FPGA 的图像处理系统成为研究的热点 。 草鱼 充分利用 FPGA 的并行性和灵活性 ， 鲤鱼 在本质上提高了图像处理的速度 ， 鲤鱼 不但降低了成本 ， 鲤鱼 而且对大数据量的图像处理的实时性

8、也达到了令人满意的效果 。 草鱼草鱼 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 。 草鱼 系统使用的是 Cyclone 草鱼 II 系列的 EP2C70 草鱼 FPGA。 草鱼 整个系统的设计采用了软硬件协同的实现方法 。 草鱼硬件方面 ： pork在系统的总体需求分析的基础上 ， 鲤鱼 通过对系统各个硬件模块的设计 ， 鲤鱼 完成了对 NIOS 草鱼 II 处理器的定制 。 草鱼 系统主要由图像的采集输入 模块 ， 鲤鱼 图像的加密处理 模块 和 图像显示输出 模块 三个 模块 组成 。 草鱼 软件方面 ： pork在 PC 机用 C 语言实现拟采用

9、的视频图像加密算法 ， 鲤鱼 评价算法性能 ， 鲤鱼 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 ， 鲤鱼 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 。 草鱼 在 Nios 草鱼 II 草鱼 IDE环境下采用 C 语言对算法进行 编程并调试 。草鱼 最后对整个系统使用的资源 情况 进行 分析 ， 鲤鱼 对 图像加密的 效果进行 评测 。 草鱼 草鱼 通过对 硬件 模块 和 软件 程序的协同 调试 ， 鲤鱼 使其达到对数字视频图像加密处理的设计要求 。 草鱼 经测试 ， 鲤鱼 在 DE2-70 开

10、发 平台 上实现的视频加密系统 ， 鲤鱼 在 100MHz 的时钟频率下 ， 鲤鱼对一幅 640480 大小的灰度图 像 完成 一次 加密需要大约 670.8ms 时间 。 草鱼 系统实现了所需的功能 ， 鲤鱼 具有良好的可靠性和可移植性 ， 鲤鱼 占用资源较少 ， 鲤鱼 成本较低 ， 鲤鱼 具有广泛的应用前景 。 草鱼 草鱼 草鱼 关 键词 ： por kFPGA； porkNios 草鱼 II； pork视频 图像 ； pork加密 草鱼 草鱼 东北大学硕士学位论文 Abstract -III- Design 草鱼 and 草鱼 Implementation 草鱼 of 草鱼 Video

11、草鱼 Image 草鱼 Encryption 草鱼System 草鱼Based 草鱼on 草鱼FPGA 草鱼 Abstract 草鱼 Video 草鱼 image 草鱼 encryption 草鱼 is 草鱼 an 草鱼 important 草鱼 means 草鱼 of 草鱼 confidential 草鱼 transmission. 草鱼 In 草鱼 modern 草鱼 society, 草鱼 the 草鱼 issues 草鱼 of 草鱼 information 草鱼 privacy 草鱼 or 草鱼 security 草鱼 have 草鱼 been 草鱼 paid 草鱼 more 草鱼 a

12、nd 草鱼 more 草鱼 attention. 草鱼 Video 草鱼 information 草鱼 is 草鱼 one 草鱼 of 草鱼 main 草鱼 carriers 草鱼 of 草鱼 modern 草鱼 information. 草鱼 How 草鱼 to 草鱼 protect 草鱼 personal 草鱼 privacy 草 鱼 or 草鱼 the 草鱼 government 草鱼 department 草鱼important 草鱼 information 草鱼 with 草鱼 encryption 草鱼 algorithm 草鱼 when 草鱼 it 草鱼 is 草鱼 transm

13、itting 草鱼 is 草鱼 becoming 草鱼an 草鱼 important 草鱼 research 草鱼 subject.草鱼 With 草鱼 the 草鱼 development 草鱼 of 草鱼 programmable 草鱼 logic 草鱼 devices, 草鱼 the 草鱼 application 草鱼 of 草鱼 FPGA 草鱼provides 草鱼 a 草鱼 new 草鱼 solution 草鱼 for 草鱼 high-speed 草鱼 digital 草鱼 video 草鱼 image 草鱼 information 草鱼 processing, 草鱼 and 草鱼

14、the 草鱼 system 草鱼 based 草鱼 on 草鱼 FPGA 草鱼 is 草鱼 now 草鱼 becoming 草鱼 one 草鱼 of 草鱼 the 草鱼 central 草鱼 research 草鱼 subjects. 草鱼Making 草鱼 the 草鱼 best 草鱼 use 草鱼 of 草鱼 parallelism 草鱼 and 草鱼 flexibility 草鱼 of 草鱼 FPGA 草鱼 improve 草鱼 the 草鱼 video 草鱼 image 草鱼processing 草鱼 speed 草鱼 essentially, 草鱼 and 草鱼 it 草鱼 not

15、草鱼 only 草鱼 reduces 草鱼 costs 草鱼 but 草鱼 also 草鱼 achieves 草鱼 real-time 草鱼transmission 草鱼 of 草鱼 large 草鱼 video 草鱼 image 草鱼 data 草鱼 with 草鱼 satisfying 草鱼 effect. 草鱼 The 草鱼 video 草鱼 image 草鱼encryption 草鱼 system 草鱼 in 草鱼 this 草鱼 paper 草鱼 is 草鱼 based 草鱼 on 草鱼 DE2-70 草鱼 platform 草鱼 of 草鱼 Altera. 草鱼 The 草鱼 FP

16、GA 草鱼used 草鱼 in 草鱼 the 草鱼 design 草鱼 is 草鱼 EP2C70 草鱼 of 草鱼 Cyclone 草鱼 II 草鱼 series. 草鱼 The 草鱼 structural 草 鱼 configurations 草鱼 have 草鱼 been 草鱼 described 草鱼 in 草鱼 detail, 草鱼 and 草鱼 the 草鱼 hardware 草鱼 and 草鱼 software 草鱼 part 草鱼 of 草鱼 the 草鱼 system 草鱼 in 草鱼 the 草鱼development 草鱼 environment 草鱼 are 草鱼 bri

17、efly 草鱼 introduced. 草鱼 This 草鱼 paper 草鱼 presents 草鱼 a 草鱼 brief 草鱼introduction 草鱼 about 草鱼 functional 草鱼 features 草鱼 and 草鱼 structural 草鱼 configuration 草鱼 of 草鱼 this 草鱼 series 草鱼 of 草鱼chips 草鱼 and 草鱼 presents 草鱼 a 草鱼 detailed 草鱼 introduction 草鱼 about 草鱼 hardware 草鱼 and 草鱼 software 草鱼 development 草鱼en

18、vironment. 草鱼 草鱼 The 草鱼 whole 草鱼 system 草鱼 is 草鱼 designed 草鱼 with 草鱼 collaborative 草鱼 hardware 草鱼 and 草鱼 software 草鱼 methods. 草鱼Hardware: 草鱼 Based 草鱼 on 草鱼 the 草鱼 requirement 草鱼 analysis 草鱼 of 草鱼 the 草鱼 system, 草鱼 complete 草鱼 a 草鱼 customized 草鱼processor 草鱼 NIOS 草鱼 II 草鱼 with 草鱼 the 草鱼 design 草鱼 and

19、草鱼 implementation 草鱼 of 草鱼 each 草鱼 hardware 草鱼 modules 草鱼 in 草鱼the 草鱼 system. 草鱼 The 草鱼 hardware 草鱼 module 草鱼 is 草鱼 mainly 草鱼 composed 草鱼 of 草鱼 the 草鱼 image 草鱼 input 草鱼 processing 草鱼module, 草鱼 image 草鱼 encryption 草鱼 processing 草鱼 module, 草鱼 and 草鱼 image 草鱼 display 草鱼 output 草鱼 processing 草鱼module. 草

20、鱼 The 草鱼 thesis 草鱼 builds 草鱼 the 草鱼 entire 草鱼 hardware 草鱼 system 草鱼 by 草鱼 Quartus 草鱼 II. 草鱼 Software: 草鱼 On 草鱼 the 草鱼 PC, 草鱼 C 草鱼 language 草鱼 is 草鱼 used 草鱼 in 草鱼 video 草鱼 encryption 草鱼 algorithm 草鱼 and 草鱼 algorithm 草鱼 performance 草鱼evaluation. 草鱼 By 草鱼 making 草鱼 a 草鱼 contrastive 草鱼 analysis 草鱼 on 草鱼

21、 Arnold 草鱼 transform 草鱼 and 草鱼 knight-tour 草鱼transform 草鱼 which 草鱼 are 草鱼 the 草鱼 common 草鱼 encryption 草鱼 algorithms, 草鱼 thie 草鱼 paper 草鱼 chooses 草鱼 Arnold 草鱼transform 草鱼 and 草鱼 knight-tour 草鱼 transform 草鱼 complex 草鱼 combination 草鱼 of 草鱼 scrambling 草鱼 and 草鱼 encryption 草鱼东北大学硕士学位论文 Abstract -IV- algo

22、rithm 草鱼 to 草鱼 encrypt 草 鱼 the 草鱼 video 草鱼 image. 草鱼 Then, 草鱼 the 草鱼 algorithms 草鱼 are 草鱼 programmed 草鱼 and 草鱼debugged 草鱼 in 草鱼 the 草鱼 Nios 草鱼 II 草鱼 IDE. 草鱼 Finally, 草鱼 this 草鱼 paper 草鱼 analyzes 草鱼 the 草鱼 use 草鱼 of 草鱼 resources 草鱼 and 草鱼 the 草鱼preformance 草鱼 of 草鱼 image 草鱼 encryption.草鱼 Through 草鱼 c

23、ollaborative 草鱼 debugging 草鱼 of 草鱼 program 草鱼 hardware 草鱼 modules 草鱼 and 草鱼 software, 草鱼 the 草鱼system 草鱼 achieves 草鱼 the 草鱼 design 草鱼 requirements 草鱼 of 草鱼 the 草鱼 digital 草鱼 video 草鱼 encryption. 草鱼 After 草鱼 testing, 草鱼the 草鱼 time 草鱼 that 草鱼 the 草鱼 system 草鱼 implemented 草鱼 on 草鱼 the 草鱼 DE2-70 草鱼 plat

24、form 草鱼 takes 草鱼 to 草鱼 complete 草鱼 the 草鱼encryption 草鱼 of 草鱼 an 草鱼 image 草鱼 with 草鱼 640 草鱼 草鱼 480 草鱼 gray 草鱼 pixels 草鱼 is 草鱼 about 草鱼 670.8ms 草鱼 at 草鱼 100MHz 草鱼clock 草鱼 frequency. 草鱼 The 草鱼 system 草鱼 achieves 草鱼 the 草鱼 required 草鱼 functionality, 草鱼 with 草鱼 good 草鱼 reliability 草鱼and 草鱼 portability, 草

25、鱼 small 草鱼 footprint, 草鱼 lower 草鱼 cost, 草鱼 with 草鱼 a 草鱼 wide 草鱼 range 草鱼 of 草鱼 applications.草鱼 草鱼 Key 草鱼 words: 草鱼 FPGA;pork 草鱼 Nios 草鱼 II;pork 草鱼 video 草鱼 image;por k 草鱼 encryption 草鱼 草鱼 东北大学硕士学位论文 目录 -V- 目 草鱼 草鱼录 草鱼 独创性声明 I 草鱼 摘 草鱼 草鱼要 II 草鱼 Abstract III 草鱼 第 1 章 草鱼绪 草鱼论 1 草鱼 1.1 草鱼 课题的背景和意义 1 草鱼

26、1.2 草鱼 课题研究现状 1 草鱼 1.2.1 草鱼 视频加密发展现状 1 草鱼 1.2.2 草鱼 数字图像加密方法研究现状 2 草鱼 1.2.3 草鱼 基于 FPGA 的视频图像处理发展现状 3 草鱼 1.3 草鱼 论文组织结构 4 草鱼 第 2 章 草鱼相关技术及背景知识介绍 7 草鱼 2.1 草鱼 数字视频相关知识介绍 7 草鱼 2.1.1 草鱼 视频信号数字化 7 草鱼 2.1.2 草鱼 数字图像的数学表示方法 7 草鱼 2.1.3 草鱼 数字视频信号的格式 8 草鱼 2.1.4 草鱼 数字视频通信标准 9 草鱼 2.2 草鱼 系统开发相关技术介绍 10 草鱼 2.2.1 草鱼 DE

27、2-70 开发平台 10 草鱼 2.2.2 草鱼 CMOS 图像传感 器 12 草鱼 2.2.3 草鱼 系统相关软件开发平台 14 草鱼 2.2.4 草鱼 Avalon 总线 16 草鱼 2.3 草鱼 本章小结 17 草鱼 第 3 章 草鱼系统总体设计 19 草鱼 3.1 草鱼 系统的功能介绍 19 草鱼 3.2 草鱼 系统层次模块 19 草鱼 3.3 草鱼 系统总体构架 20 草鱼 3.4 草鱼 本章小结 21 草鱼 东北大学硕士学位论文 目录 -VI- 第 4 章 草鱼系统硬件设计与实现 22 草鱼 4.1 草鱼 系统主要硬件资源 22 草鱼 4.2 草鱼 系统硬件模块设计 22 草鱼 4

28、.2.1 草鱼 图像采集输入模块 22 草鱼 4.2.2 草鱼 图像加密处理模块 26 草鱼 4.2.3 草鱼 图像输出显示模块 27 草鱼 4.3 草鱼 SOPC 系统设计 28 草鱼 4.4 草鱼 本章小结 30 草鱼 第 5 章 草鱼图像置乱加密算法及系统软件设计 31 草鱼 5.1 草鱼 图像置乱加密算法 31 草鱼 5.1.1 草鱼 图像加密与置乱算法介绍及分类 31 草鱼 5.1.2 草鱼 Arnold 置乱算法 31 草鱼 5.1.3 草鱼 骑士巡游置乱算法 35 草鱼 5.1.4 草鱼 基于 Arnold 变换和骑士巡游变换相结合的复合置乱算法 39 草鱼 5.2 草鱼 系统软

29、件的设计与实现 40 草鱼 5.2.1 草 鱼主程序的设计流程 40 草鱼 5.2.2 草鱼 系统初始化 41 草鱼 5.2.3 草鱼 加密过程 41 草鱼 5.2.4 草鱼 解密过程 42 草鱼 5.2.5 草鱼 NIOS 草鱼 II 软件代码编译优化 42 草鱼 5.3 草鱼 本章小结 43 草鱼 第 6 章 草鱼系统测试分 析 44 草鱼 6.1 草鱼 系统调试 44 草鱼 6.1.1 草鱼 系统硬件调试 44 草鱼 6.1.2 草鱼 系统软件调试 44 草鱼 6.2 草鱼 系统运行结果分析 45 草鱼 6.2.1 草鱼 系统测试结果 45 草鱼 6.2.2 草鱼 系统资源分配及性能指标 48 草鱼 6.3 草鱼 遇到问题及解决办法 49 草鱼