音频加密技术研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 8 4 1.82MB 58 页 15积分

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摘要

随着网络技术的迅猛发展，多媒体技术在网络上的应用也越来越广泛。人们

除了对多媒体通信技术和通信速度的要求提高外，也越来越关注于多媒体通信安

全。音频作为多媒体信息的重要组成部分，其通信安全应得到更多的重视。本文

全面介绍了信息安全和音频加密的基础理论知识以及音频加密的国内外研究现

状。另外，针对目前网络的音频信息一般有两种途经存在，一是网络储存，另一

为网络实时传输，再结合音频信号的特点，本文还提出了以下几种音频加密思路：

⑴全面介绍了 DES 加密算法结构及其基本原理，并将传统 DES 加密技术应用

于音频加密，探索传统 DES 对音频加密的性能，总结其利弊，对于不同需求的音

频文件安全有着很好的启发。

⑵对基于混沌序列的现代混沌技术进行深入研究，提出通过增加混沌映射参

数的方法来增加加密和解密密钥参数，从而提高算法的密钥空间，并采用将十进

制小数转化成二进制数的位序列产生方法。将改进的算法应用于音频加密，并通

过实验验证了算法性能，提高了音频加密的破译难度。

⑶对 Logistic 映射进行深入研究，分析其产生的混沌实数值序列的各种混沌特

性和数学统计特性，结合音频信号的数据特点，对音频信号分别进行置乱，替代，

扩散操作，避免将混沌实数值序列转换成二进制流操作的额外时间消耗。并通过

实验对算法各种性能进行验证。

关键词：DES 混沌音频加密 Logistic 映射

ABSTRACT

With the rapid development of network technology, application of multimedia

technology on the Internet is more and more popular. In addition to the multimedia

communication technology and the requirement of speed increasing, people also pay

more and more attention on the multimedia communication security. This paper presents

a comprehensive review of the information security and audio encryption on the basis of

theoretical knowledge as well as audio encryption research situation at home and abroad.

In view of the audio information on current network can be divided into two categories,

one is network storage, another for network real-time transmission, this paper presents

several audio encryption researches with the characteristics of the audio signal.

The DES encryption algorithm structure and its basic principle are introduced

comprehensively in this paper at first. Then the traditional DES encryption technology

is applied to audio encryption, which performance is studied and advantages 、

disadvantages are summarized. For the different needs of the audio file security, the

audio encryption with DES is a very good inspiration.

With studying on chaotic sequence of modern chaotic technology, the method of

adding parameters of the chaotic mapping which can increase the key parameters of

encryption and decryption is proposed. The bit sequence generating method of decimals

into two value sequence is also used in the new way. The improved algorithm is applied

to the audio encryption and the simulation on MATLAB verifies the good performance

of the algorithm. The improved algorithm also increases the key space greatly and adds

the difficulty for the audio encryption decipher.

According to the in-depth research for chaotic Logistic mapping, various chaotic

behavior and mathematical statistical characteristics of chaotic real number sequences

are analysed. Combined with the characteristics of audio signal data, the audio signals

are scrambled, replaced, diffused. The new algorithm avoids the extra time consumption

on the operation which real-valued sequence of chaos should be converted into a binary

stream. The new algorithm’s performance is also validated by kinds of experiments.

Key Words: DES, Chaos, Audio, Encryption, Logistic

mapping

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论..............................................................................................................1

§1.1 课题研究背景及其意义..................................................................................1

§1.2 加密技术概述..................................................................................................2

§1.2.1 密码学概述...............................................................................................2

§1.2.2 混沌学概述...............................................................................................2

§1.3 音频加密技术的国内外研究现状..................................................................3

§1.4 本论文的主要内容和组织结构.......................................................................4

第二章音频加密技术的相关基础理论.....................................................................6

§2.1 信息安全基础理论..........................................................................................6

§2.1.1 信息安全概述...........................................................................................6

§2.1.2 信息安全性能分析...................................................................................7

§2.2 音频技术基础理论..........................................................................................8

§2.2.1 音频技术概述...........................................................................................8

§2.2.2 音频技术的分类.......................................................................................8

§2.2.3 音频技术的应用方向................................................................................9

§2.3 密码系统的基础理论....................................................................................10

§2.3.1 密码系统概述.........................................................................................10

§2.3.2 密码系统的安全性能分析.....................................................................10

§2.4 密码体制的基础理论....................................................................................11

§2.5 本章小结........................................................................................................13

第三章基于 DES 的音频加密算法 ......................................................................... 14

§3.1 分组密码的操作模式....................................................................................14

§3.2 DES 算法介绍 ................................................................................................ 14

§3.2.1 加密流程.................................................................................................14

§3.2.2 密钥的产生.............................................................................................17

§3.3 音频数据格式................................................................................................19

§3.4 DES 算法加密音频文件实现 ........................................................................ 21

§3.4.1 加解密算法实现.....................................................................................21

§3.4.2 加密性能分析以及仿真结果.................................................................21

§3.5 本章小结........................................................................................................24

第四章基于混沌的音频加密算法改进...................................................................25

§4.1 混沌密码........................................................................................................25

§4.1.1 混沌流密码..............................................................................................25

§4.2 混沌序列........................................................................................................26

§4.2.1 常用的混沌映射.....................................................................................26

§4.2.2 混沌序列的生成.....................................................................................27

§4.3 基于 Logistic 映射的音频加密算法介绍 .................................................... 28

§4.3.1 混沌二值序列生成.................................................................................28

§4.3.2 音频文件加解密.....................................................................................29

§4.4 加解密性能分析............................................................................................30

§4.4.1 加解密速度.............................................................................................30

§4.4.2 密钥空间.................................................................................................30

§4.4.3 密钥敏感性.............................................................................................31

§4.5 本章小结........................................................................................................33

第五章基于 Logistic 映射的音频加密新算法 ....................................................... 34

§5.1 Logistic 映射 .................................................................................................. 34

§5.1.1 Logistic 映射的混沌特性 ....................................................................... 34

§5.1.2 Logistic 映射的分布 ............................................................................... 36

§5.1.3 Logistic 映射的相关性 ........................................................................... 36

§5.2 算法介绍........................................................................................................38

§5.2.1 音频信号置乱.........................................................................................38

§5.2.2 音频信号替代.........................................................................................38

§5.2.3 音频信号扩散.........................................................................................39

§5.2.4 音频文件的加密和解密.........................................................................39

§5.3 算法效果极其性能分析.................................................................................40

§5.3.1 加解密的时域结果分析.........................................................................40

§5.3.2 加密速度分析.........................................................................................41

§5.3.3 密钥敏感性测试.....................................................................................42

§5.3.4 相邻音频信号的相关性分析.................................................................45

§5.3.5 音频信号的密钥空间的分析.................................................................47

§5.4 本章小结........................................................................................................48

第六章结论与展望...................................................................................................49

§6.1 结论................................................................................................................49

§6.2 展望................................................................................................................50

参考文献 .....................................................................................................................51

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.........................................54

致谢 .........................................................................................................................55

第一章绪论

§1.1 课题研究背景及其意义

21 世纪是信息时代迅猛发展的重要时期。网络技术的发展，有线网、无线网，

光纤网的持续增长，众多的基于网络的新颖终端设备也应运而生，如智能手机、

平板电脑。随着这些智能设备的广泛应用，人们除了对通信技术和通信速度的要

求提高外，也越来越关注于多媒体通信安全，从而能够更好的保护重要网络信息

和个人私密空间，如网络会议，视频以及关于国家、企业和个人的大量多媒体信

息。多媒体通信作为这个网络时代的重要产物，在通信领域占有重要一席。其安

全通信也成为多媒体性能的重要指标。

多媒体一般可分为以下几类[1]：⑴音频信息，在没有图像信息的情况下，人与

人的交流还是主要依靠声音来实现。在数字化信息中，语音也被数字化处理，方

便了网络传输和存储。因此有了许多数字化音频产品，如网络电话，网络视频聊

天，网络音乐等。音频信息的编码标准有 ITU-T 的G.711、

G.722、

G.729[2]以及 ISO

的MP1、MP2、MP3 等。⑵文本信息，通信过程中最常用到的文本信息就是 Email

和一些作为补充附件或支撑材料的文档。有些重要邮件和材料在传输过程中就要

实时控制，有时候只写控制信息也看作是文本信息。⑶图像和视频信息，图像和

视频信息汇合了人们在日常生活中的视觉和听觉信息，给人直观的感受，使得到

的信息更立体直接，得到更好的接受。实际应用中视频信息量很大，需要一定压

缩后才能够传输。目前的压缩标准对于图像有 JPEG、JPEG2000 等，对于视频有

H.263、H.264、MPEG-1 和MPEG-2 等。

传统的加密技术[3]最早都应用于文本加密，由于文本信息相对于图像和视频信

息量小，数据间的相关性不强，结构简单等特点，因此如 DES、RSA 均能满足其

加密要求。对于图像加密技术近几年也发展了许多加密技术，尤其是混沌技术的

应用[4][5][6]。但对于结构稍复杂的音频信号的安全加密技术，现阶段研究相对较少。

随着网络速度的提高和带宽的增强，各种应用的实现，音频的安全加密技术需得

到更多的研究。

本文将传统 DES 加密技术和现代混沌加密技术应用于音频文件，具有重要的

意义：一方面探索了传统 DES 对音频加密的性能，总结其利弊，对不同领域的音

频安全需求有着很好的启发。另一方面，对音频文件结构有了深入研究，结合其

特点研发新的混沌加密结构更好实现音频的实时性加密传输。

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摘要随着网络技术的迅猛发展，多媒体技术在网络上的应用也越来越广泛。人们除了对多媒体通信技术和通信速度的要求提高外，也越来越关注于多媒体通信安全。音频作为多媒体信息的重要组成部分，其通信安全应得到更多的重视。本文全面介绍了信息安全和音频加密的基础理论知识以及音频加密的国内外研究现状。另外，针对目前网络的音频信息一般有两种途经存在，一是网络储存，另一为网络实时传输，再结合音频信号的特点，本文还提出了以下几种音频加密思路：⑴全面介绍了DES加密算法结构及其基本原理，并将传统DES加密技术应用于音频加密，探索传统DES对音频加密的性能，总结其利弊，对于不同需求的音频文件安全有着很好的启发。⑵对基于混沌...

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