论文总字数：18259字

毕业设计报告(论文)

基于FPGA的图像加密系统的设计与实现

所属学院 电子与计算机工程学院

专 业 电子信息工程

学 号 10117218

姓　 　名 孟飞

指 导 教 师 张秀再

起 讫 日 期 2020.1--2021.5

设 计 地 点 东南大学成贤学院

东南大学成贤学院毕业设计报告（论文）

诚 信 承 诺

本人承诺所呈交的毕业设计报告（论文）及取得的成果是在导师指导下完

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日 期：

基于FPGA的图像加密系统

摘 要

数字图像能够提供图像的信息，数字图像信息保密的关键是图像的加密技术；因此，图像加密技术的研究有很大的现实意义。为进行有效得到图像加密，本文采用FPGA来实现图像的加密过程。本文的软件部分主要通过Verilog来编写AES算法的编程部分，运用Quartus II来进行AES算法的时序仿真。硬件部分主要采用FPGA中DMA模块、AES加密模块来进行信息的传输。视频图像加密的验证是在软件的基础上用FPGA开发板来进行的，经测试在100MHz的时钟频率下，对一幅640*480大小的图像进行加密，完成时间仅需670.8ms。本文设计的基于FPGA图像加密有很好的应用价值。

关键词：FPGA；AES算法；图像加密；信息安全

Image encryption system based on FPGA

Abstract

Digital image can provide image information. The key of digital image information security is image encryption technology; Therefore, the research of image encryption technology has great practical significance. In order to effectively get the image encryption, this paper uses FPGA to realize the image encryption process. The software part of this paper mainly uses Verilog to write the programming part of AES algorithm, and uses Quartus II to simulate the timing of AES algorithm. The hardware part mainly uses DMA module and AES encryption module in FPGA to transmit information. Finally, based on the software, the FPGA development board is used to verify the video image encryption. After testing, a 640 * 480 image is encrypted at 100MHz clock frequency, and the completion time is only 670.8ms. The FPGA image encryption designed in this paper has good reliability and wide application prospect.

Keywords: FPGA; AES algorithm; image encryption; information security

目 录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究的目的与意义 1

1.3 研究内容 1

第二章 图像加密技术 2

2.1 AES算法原理 2

2.1.1 AES算法描述 2

2.2 图像加密技术基本方法 3

2.2.1 数字图像加密评判标准 3

2.3 AES图像加密原理及描述 4

2.3.1 AES图像加密的原理 4

2.3.2 AES算法的描述 4

第三章 FPGA的图像加密系统硬件设计 11

3.1 FPGA 11

3.2 DMA模块 12

3.3 AES 加解密模块 13

3.4基于FDMA搭建的BD工程 15

3.4.1FDMA缓存控制模块 15

3.4.2 摄像头数据采集模块 16

3.4.3 摄像头配置模块 16

3.4.4 vga lcd驱动模块 16

3.4.5 HDMI输出驱动模块 16

3.4.6 AES数据加密模块 17

3.4.7 按键消抖模块 17

第四章 AES模块仿真 19

4.1 密钥生成仿真 19

4.1.1 伪随机密钥流生成模块 19

4.1.2 密钥拓展生成模块 20

4.2 AES加密图像仿真 20

4.2.1 Quartus II仿真 20

第五章 硬件的调试与测试 22

5.1 硬件调试 22

5.2 硬件的视频调试 22

第六章 结论与展望 23

6.1 结论 23

6.2 展望 23

致 谢 24

参考文献 25

附录(图) 27

附录一 整体原理图 27

附录二 程序代码 27

第一章 绪论

1.1 研究背景

随着互联网的发展,人们在获取信息和处理大量数据的同时,也面临着图像加密带来的问题以及信息安全问题,特别是军事、金融等领域对信息安全问题具有较高的技术要求,因此图像加密算法已经引起众多专家和研究者的重视。目前常见的图像加密技术主要包括自适应图像加密、基于混乱系统的图像加密、盲源分离式图像加密等多种算法以及数字化水印等。

文本加密理论是图像加密技术的源头,该技术主要目的之一就是为了能够把所有待进行加密的图像信息完全地隐藏了起来,从而防止非法接受者获取信息。另一方面,接收者也可以通过提前获取的有关信息或解密方法轻松简单地获取原始图像。当传统加密标准出现的时候,多媒体技术还没有形成,所以加密算法主要是文本加密;但现在的多媒体技术已经成熟,在面对传统的文本加密算法在图像加密和视频加密的应用中仍然有许多不足之处[1]。这主要是有两个重要的原因,首先,数字图像和视频信息中仍然存在着很多的允余轮廓信息,在由传统的加密算法对其进行了加密之后,还是会与轮廓信息存在某些相关性,这样就让图像的各个主体轮廓信息依然能够显示出来。,所以这些传统的文本加密技术满足了对于实时图像加密技术的要求[2]。所以设计一种新型的图像加密技术是确保图像信息安全的必要条件。

1.2 研究的目的与意义

美国第一次发布DES算法的标准是在1977年,后来世界业内及学术界对此个算法的重要性进行了广泛的探索与研究,同时DES算法的安全性等诸多方面都被业内外的人士和学术界所探索与探讨。DES算法的不足之处显现了出来,例如,DES算法的一个加密单位的长度非常短,只是一个64位的二进制数,这个对于信息的数据传送来说太小了,而且一个DES算法的加密密钥单位长度也只能达到56比特,对于信息传送的数据来说也都是非常短的,而且这个算法在技术上还有一个非常致命的缺点,那就是密钥的产生都是通过递推这种方法获取而得到的。运算速度快这是 AES算法的主要优势之一，此外该算法还适用于处理具有反馈模式或者无反馈模式的应用程序环境中,都能展示出良好的性能。与DES算法相比较, AES算法的密钥数量和长度必须远大于DES算法,只要密钥的长度是一个为32比特的任何整数倍都是可以成为该算法,即最小密钥的长度平方值一般可以成为128比特的数据,最大密钥长度为256比特的数据,利用这种穷举法,就不太有可能对该算法的密钥长度进行破解。本文就是在此基础上运用VHDL语言对AES算法进行研究。

1.3 研究内容

本文主要是在一个FPGA的软件平台上来对AES算法进行展开研究,设计了一种可以实施在FPGA的硬件平台上的信息加密技术,介绍其在信息加密中的一些应用。首先从理论上分析 AES ,知道了有限域与有限域上的多项式,对有限域与有限域上的运算方法进行了深入的学习。在这个的理论基础上分析了AES的算法工作原理,“字节转换”、“行位移变换”、“列混合变换”、“密钥加变换”和“密钥扩展”是AES算法的重要组成部分。最后运用VHDL语言对该设计进行了仿真和验证。

第二章 图像加密技术

2.1 AES算法原理

AES 加密算法系统主要采用分组对称,其有三种不同的密钥长度，分别是128位、196位和256位,该分组的平均长度为128位, 灵活性好是这个算法的一个特点,所以软件和硬件都喜欢运用这个算法^[3]。有15种候选算法在1998年被NIST所公布。最后Rijndael成为新的加密标准^[4]。脆弱的安全性是DES算法的一大缺点,但因为DES在很早时就出现,所以对DES这个算法的研究就一直没停过,虽然 DES的技术安全性正在不断得到改善和提高,并且在过程中衍生了3-DES ,但是DES迟早将会被AES替换。Rijndael算法不但能够在较小的时间内继续维护加解密数据的计算速度,而且其还具有成本少、安全性好的优势。为了确保AES具有更长的安全操作周期及较强的抗攻击性,因此对运算子设计做出了一些改变。通过几年的公开试验,AES终于脱颖而出。

2.1.1 AES算法描述

图2.1所展示的工作流程框图就是基于AES算法的数据加密及解密测试工作的具体流程。从这张图中不仅可以看出AES的解密和加密是一个对称结构，该算法的两个步骤运行过程相反。所以就出现了“等价逆密码”，该密码可以对AES算法进行解答^[5]。因为这是一个对称结构，所以按照步骤使第1轮解密完美运行，该解密过程包括轮密钥加、行移位和位替换；列混淆这个操作过程在后9轮中都出现了，而第一轮没有这个步骤,明文数据是初始密钥对经过10轮解密的数据进行密钥加得到的。图2.1为AES算法加解密流程图：

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