根据数字音频的结构特征,结合音频的置乱加密原理,我们利用离散混沌序列的随机性和对初始条件极其敏感性,提出一种音频的混沌置乱加密算法。
一、混沌映射
混沌现象是在非线性动力系统中出现的确定性的、类似随机的过程,这种过程既非周期又不收敛,并且对初始条件值有极其敏感的依赖性嘲。Logistic映射是一个非常简单且被广泛研究和应用的一维离散时间非线性动力系统。
其中0≤μ≤4,状态值x0∈(O,1)。当3.56994...≤μ≤4时,Logistic映射处于混沌状态,此时生成的序列(X1,X2,X3,…)是非周期、不收敛,且对初始值敏感依赖性。
二、音频信号加密
结合单声道WAV格式音频的特点和Logisti混沌混沌序列(s1,S2,S3,…sj),其中j的取值为j=l,2,3,...M。假设原始音频信号为x,加密音频信号为y,如果原始混沌序列位置与新的混沌序列位置满足映射关系:sj=xi,则y(j)=X(i)。
根据步骤2)中的映射关系对原始音频信号采样点进行位置置换,从而得到最终的加密音频信号。
根据上述加密算法,选取加密密钥[3.80204630113246,0.603652021432561]对图1所示的原始音频信号“tloub lewaV进行混沌置乱加密。得到的加密音频信号如图2示。原始音频信号“troub lewa”为完整的测试音频信号,采样频率为8000HZ,采样精度为16比特位,采样点数为150000。
三、音频信号解密
音频的混沌置乱解密算法是加密算法的逆过程,具体步骤如下:选取音频加密过程使用的加密密钥作为解密密钥,通过式(1)产生与音频加密时一样的离散混沌序列,序列的长度与音频的采样点数相同,对其进行从小到大排序。根据混沌序列中元素排序前后的位置对应关系对加密音频信号进行位置的反置换。假设加密音频信号为Y,解密音频信号为Z,依据位置映射关系可得Zi=yj。正确解密音频信号如图3所示。通过比较解密音频信号与原始音频信号,可以发现两个音频信号具有相同的特征信息,可见解密算法是无损的。
四、性能分析
通过比较原始音频信号(图l)和加密音频信号(图2),明显发现加密音频信号相对原始音频信号更加的模糊,从加密音频信号上根本看不出原始音频信号的特征。加密算法隐藏了原始音频信号的特征信息,保证了原始音频信号的安全。
为得到正确的解密音频信号,解密算法中选取的解密密钥必须与加密密钥完全一样。如果解密密钥相对于加密密钥有些许差异,哪怕很微小的变化,都无法得到正确的解密音频信号。如果选取另一解密密钥[3.80204630113245,0.60365202143256~对图2所示的加密音频信号进行解密操作,则得到的错误解密音频信号。
小知识之置乱
所谓“置乱”,就是将图像的信息次序打乱,将a像素移动到b像素的位置上,b像素移动到c像素的位置上……使其变换成杂乱无章难以辨认的图像。