基于單片機(jī)的灰度圖像混沌保密通信

所謂保密通信，就是為了防止通信秘密被竊取，在通信的過程中對(duì)秘密信息及其傳輸方式采取隱蔽的手段，從而達(dá)到保密的目的。混沌是非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)所特有的一種運(yùn)動(dòng)形式。自從1990年提出混沌同步的原理并在電路中得以實(shí)現(xiàn)以來，混沌控制與同步及其應(yīng)用迅速成為非線性研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。同時(shí)，混沌現(xiàn)象具有遍歷性、非周期性、連續(xù)寬帶頻譜、類噪聲等特性，特別適用于保密通信及圖像加密領(lǐng)域?，F(xiàn)在混沌保密通信大致分為3類：第1類是直接利用混沌進(jìn)行保密通信，如基于單片機(jī)利用Logistic映射對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行加解密實(shí)驗(yàn)[1]、基于PC機(jī)利用Logistic映射和Henon映射對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行加解密實(shí)驗(yàn)[2]；第2類是利用混沌同步進(jìn)行保密通信[3-4]；第3類是混沌數(shù)字編碼的異步通信。其中，第2類混沌同步保密通信是當(dāng)前國際上研究的一大熱點(diǎn)。
　　本文根據(jù)細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)混沌同步的原理，基于單片機(jī)進(jìn)行灰度圖像的保密通信實(shí)驗(yàn)。通過無噪聲、不同程度噪聲干擾及同步性能的比較驗(yàn)證了該方案的可行性。
1 CNN混沌模型
　　4元CNNs混沌同步保密通信如圖1所示[4]。

　　發(fā)射系統(tǒng)：
　???

??? 　傳輸信號(hào)：
　　s(t)=KX+200y4+i(t)　

　　通過同一個(gè)驅(qū)動(dòng)變量s(t)，實(shí)現(xiàn)同步誤差e=x-x′，當(dāng)e=0時(shí)候，也就是平衡狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)，構(gòu)建的接收方程如下：
　　接收系統(tǒng)：
　　???

式中，取K=[80.190 0、20.154 6、11.936 3、-89.800 0]。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 單片機(jī)及開發(fā)工具
　　本文使用的單片機(jī)為AT89S52，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)灰度圖像混沌保密通信。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS集成電路芯片8位微控制器，具有8 KB系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51單片機(jī)指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52可為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。
??? 　本文使用的單片機(jī)開發(fā)工具為Keil C51，版本為808A。此開發(fā)工具支持匯編/C語言編程。并且提供各種模擬芯片供軟件仿真使用。Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編語言相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，易學(xué)易用。
2.2 設(shè)計(jì)流程
??? 　灰度圖像為二維信號(hào)，而本次設(shè)計(jì)所需的信號(hào)為一維信號(hào)，因此，實(shí)驗(yàn)前必須如圖2所示將灰度圖像的二維點(diǎn)陣數(shù)組(m×n)轉(zhuǎn)換為一維數(shù)組，作為輸入信號(hào)i(t)。

??? 　整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示。需要說明的是，由于單片機(jī)存儲(chǔ)單元有限，混沌算法經(jīng)過多次乘加，中間參量生成較多，為了獲得完整的數(shù)據(jù)結(jié)果以及單片機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)正常，特設(shè)定了5個(gè)數(shù)據(jù)為1次算法循環(huán)。一旦結(jié)束1次算法循環(huán)，便將結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)送至計(jì)算機(jī)，下次循環(huán)結(jié)果覆蓋保存在相同的存儲(chǔ)單元。這樣，保證了數(shù)據(jù)的完整性以及實(shí)驗(yàn)的流暢性。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
??? 　實(shí)驗(yàn)界面如圖4所示，功能如下：
??? 　噪聲參數(shù)：通信噪聲，模擬實(shí)際環(huán)境外界干擾下實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
??? 　同步參數(shù)X：4元CNN混沌算法，X初始值，表示通信的同步性，X為0時(shí)，表示同步；大于零時(shí)表示欠同步，X值越大，同步性能越差。

??? 通行測試：測試單片機(jī)是否連接正確。
??? 運(yùn)行：在通行測試正常情況下，點(diǎn)擊運(yùn)行，顯示如圖4所示。
??? 輸入不同的噪聲參數(shù)以及同步參數(shù)獲得的結(jié)果如圖5所示。

??? 　本文基于CNN混沌同步原理，在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)了灰度圖像的保密通信。在噪聲系數(shù)和同步系數(shù)不同的情形下分別對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。在理想情況下(即噪聲為0，完全同步情況下)，驗(yàn)證了在單片機(jī)上混沌保密的可行性。而在噪聲逐漸增大的情況下，圖像的失真度越來越高，這符合實(shí)際情況。在同步參數(shù)改變的情況下，圖像出現(xiàn)欠同步現(xiàn)象，印證了在單片機(jī)上同步算法的運(yùn)行正確性。單片機(jī)作為小型芯片設(shè)備，可嵌入在各種電子產(chǎn)品中，應(yīng)用領(lǐng)域、成本低、效益高，并且保密通信效果穩(wěn)定。