基于Tent混沌系统的音频加密方法 - 夏冰加密软件技术博客

随着计算机与通信网络的迅速发展，各种形式的多媒体数字作品，纷纷以网络途径传播，这为创作者和使用者提供了很大的便利。但这种便利性和不安全性，往往是并存的，也容易被非法侵权者所利用。特别是音频文件，常常遭受到盗版问题的困扰，因此我们需要采取加密方法对音频文件进行加密，下面我们将Tent混沌系统和Chen混沌系统相结合，设计出了一种基于混沌的音频数据加密方法，通过把音频数据对应的二进制序列与混沌加密因子序列做异或操作，来实现对音频数据的加密。

一、混沌系统

混沌是非线性系统中出现的一种貌似无规则的类随机过程，是普遍存在的复杂运动形式和自然现象。对于确定型的非线性系统出现的具有内在随机性的解，就称为混沌解，这种解在短期内可以预测，而在长期内却不可预测。混沌不是简单的无序，而是没有明显的周期性和对称性，但却是具有丰富内部层次的有序结构。混沌具有如下的特征：对初始条件的敏感依赖性、整体稳定而局部不稳定、轨道不稳定及分岔、长期不可预测性等。

Tent混沌系统又称为帐篷映射，其表达式如下：

基于Tent混沌系统的音频加密方法

其中，k为一个常数，0<k<1；Tent系统将区间[0,1]映射到其自身上。对任意选定的一个初值x0，由迭代xn+1=f(xn)所得到的序列{xi},i=0,1,2,……,在区间[0,1]上遍历且均匀分布。

Tent系统具有如下的特点：是一种分段线性的一维映射，是混沌的，并具有均匀的概率密度与功率谱密度，以及较理想的自相关性。

Chen混沌系统是一种三维常微分系统，具有复杂的动力学行为，其表示为：

基于Tent混沌系统的音频加密方法

其中，(x,y,z)为系统轨迹；

a,b,c是系统参数，且都为正实数；

当a=35,b=3,c=28时，系统有奇异吸引子，处于混沌状态。

二、加密算法

为了实现对数字音频的加密，下面提出一种将Tent混沌系统与Chen混沌系统相结合的加密方法。该方法的原理是使用Chen混沌系统产生Tent混沌系统中的参数k的值，然后用Tent混沌系统实现对音频的加密。由于参数k的值是由Chen混沌系统产生的，因此比直接为其选取一个值更具有保密性，并增加了被破译的难度。

1、产生混沌序列的计算步骤

该方法产生混沌序列的计算步骤如下：

（1）选取Chen系统的初值x0，y0，z0；使用有限差分法对Chen系统进行离散化并求解；把求得的解作为新的初值，重复地迭代求解Chen系统，进行n次。例如，n=100。

（2）对由第一步产生的3个值xn,yn,zn；取这3个值的小数部分，并计算其平均值；将该值作为Tent系统中参数k的值。

（3）使用Tent系统对音频进行加密，即由第二步中确定的参数k的值，通过使用公式pn+1=f(pn)进行迭代，产生一个混沌序列{pi},i=0,1,2,……。

（4）根据序列{pi}，生成另一个序列{qi}。当pi<0.5时，qi=0；当pi≥0.5时，qi=1。从所产生的这个序列{qi}中选出一部分qs,qs+1,…,qs+t作为对音频加密时使用的混沌序列。这里s和t为一个正整数。对音频的加密需要对音频文件的结构进行分析。

而本文主要是针对wav格式的音频文件，这种文件是由文件头和数据体两大部分组成。对单声道wav音频文件的文件头信息是开始的40个字节，而对双声道wav音频文件则是开始的54个字节。在加密时对文件头信息不做处理，只对其后的数据体部分进行处理。

2、音频加密方法的步骤音频加密方法的步骤如下：

（1）打开一个音频文件。

（2）读取音频文件中的数据，获得数据体部分。

（3）使用Tent系统和Chen系统，产生一个如前所述的序列q_s,q_s+1,…,q_s+t，以作为加密时的混沌序列。

（4）把音频数据所对应的二进制序列与混沌序列进行异或操作。异或的结果，是一个与音频数据原来的二进制序列不相同的序列，将该序列转换为音频文件格式中的数据体部分，就得到了经过加密后的音频文件。