阅读说明：本技术 基于混沌的位级音频加密方法 (Chaos-based bit-level audio encryption method ) 是由 张晓强 李泳锋 于 2020-06-05 设计创作，主要内容包括：一种基于混沌的位级加密算法,属于信息加密领域。目前,在网络上传递音频文件和用语音进行交流的活动日益频繁,为保护多个音频内容的安全性,本发明提出一种基于混沌的位级加密算法。首先,对音素整数化,然后利用密钥产生混沌序列,再进行整数化,然后进行音素级置乱和位级扩散,最后将音素小数化得到加密音频。实验表明：该算法可同时加密多个音频文件,且算法加密效果较好,密钥敏感性强,安全性高,高效。(A chaos-based bit-level encryption algorithm belongs to the field of information encryption. At present, activities of transmitting audio files and exchanging with voices are increasingly frequent on the network, and in order to protect the safety of a plurality of audio contents, the invention provides a chaos-based bit-level encryption algorithm. Firstly, performing integral treatment on phonemes, generating a chaotic sequence by using a key, performing integral treatment, performing phoneme-level scrambling and bit-level diffusion, and performing decimal treatment on phonemes to obtain encrypted audio. Experiments show that: the algorithm can encrypt a plurality of audio files simultaneously, and has the advantages of good encryption effect, strong key sensitivity, high safety and high efficiency.)

基于混沌的位级音频加密方法

技术领域

本文涉及了一种音频加密方法，主要面对单个音频文件进行加密。

背景技术

近年来，随着大数据技术的发展和5G的普及，人们越来越多地依赖手机、网络等工具进行通信和交流。与此同时，网络中存在着很大的风险。信息泄露，恶意篡改等问题层出不穷，于是关于信息加密技术也越来越火爆。其中音频加密是利用数字音频的矩阵特点，按照特定变换规则，进行置乱或扩散，将原始音频的信息变得“杂乱无章”。

音频加密主要包括音素置乱和音素扩散两种手段。其中音素置乱的目的是音素的位置；音素扩散的目的是改变音素的值。为提高音频音频加密的安全性和效率，保证音频的安全高效传输，利用混沌理论和位级加密，设计了一种基于混沌的位级音频加密方法。该方法利用了混沌良好的随机性和复杂性，有效地保护了音频文件网络传输和存储的安全性。

发明内容

本发明的目的：为了解决音频文件在传输过程中安全性的问题，提出一种基于混沌的位级音频加密方法。

本发明的技术方案：为实现上述发明目的，采用的方案是基于混沌的多音频加密方法。

基于混沌的位级音频加密方法，其特征在于，加密过程包括如下步骤：

步骤1：音素整数化：令交互音频文件为A ¹，其大小为m×1，m是音素数目，1指音频文件为单声道；A ¹中元素范围为[-1, 1]，将所有元素加1，使其范围变为[0, 2]，再乘上指定系数d，使得每个音素值均可用n个二进制位来表示，即

a _i ²=(a _i ¹+1)×d，（1）

其中，a _i ¹∈A ¹，A ²={a _i ²}为整数矩阵；

步骤2：混沌序列产生：随机选取初始值w ₀∈(0, 1)和控制参数p ₁∈(0, 0.5)，迭代公式（2）所示的分段线性混沌映射（Piecewise Linear Chaotic Map，PWLCM）n次，可产生一个混沌序列W ¹={w _i ¹}；

，（2）

令控制参数a=35，b=3和c=38，随机选择初始值x ₀∈(0, 1)， y ₀∈(0, 1)，z ₀∈(0, 1)，迭代公式（3）所示的陈混沌系统m次，

，（3）

可产生三个混沌序列X ¹={x _i ¹}，Y ¹={y _i ¹}和Z ¹={z _i ¹}；

步骤3：混沌整数化：计算：

w _i ²=mod(floor(w _i ¹×10¹⁶), m)，（4）

y _i ²=mod(floor(y _i ¹×10¹⁶), n)，（5）

z _i ²=mod(floor(z _i ¹×10¹⁶), 2)，（6）

其中，mod( )和floor( )分别为取模和取整函数，w _i ¹∈W ¹，y _i ¹∈Y ¹，z _i ¹∈Z ¹，W ²={w _i ²}，Y ²={y _i ²}和Z ²={z _i ²}；

步骤4：音素级置乱：对X ¹进行元素值升序排列，可得一个新的混沌序列X ²，利用X ¹和X ²元素位置的对应关系对A ²进行音素置乱，可得置乱矩阵A ³；

步骤5：音素二进制化：将A ³中的每个元素均用n位二进制位表示，可构成一个大小为m×n的二进制位矩阵A ⁴；

步骤6：位级置乱：利用Y ²，对A ⁴执行位级行置乱，可得置乱结果A ⁵；再利用W ²，对A ⁵执行位级列置乱，可得置乱结果A ⁶；

步骤7：位级扩散：A ⁶可分解成n个位向量为V ₁ ¹, V ₂ ¹, …, V _n ¹，计算：

V ₁ ²=V ₁ ¹⊕Z ²，V _i ²=V _i ¹⊕Z ²⊕V _i-1 ²，i=2, 3, …, n，（7）

其中，⊕表示异或运算，V ₁ ², V ₂ ², …, V _n ²构成扩散结果A ⁷；

步骤8：音素小数化：对A ⁷中的每行元素均用一个十进制数表示，可构成一个大小为m×1的十进制矩阵A ⁸；将A ⁸中的所有元素除以d，再减1，使其范围变为[-1, 1]，即

a _i ⁹= a _i ⁸/d-1，（8）

其中，a _i ⁸∈A ⁸，A ⁹={a _i ⁹}为加密音频。

进一步地，所述步骤6中所述的方法，其特征在于：位级行置乱指：若i（i=1, 2,…, m）为奇数行，则对A ⁴的第i行元素进行y _i ²位向左循环移位操作；若i为偶数行，则对A ⁴的第i行元素进行y _i ²位向右循环移位操作。、

进一步地所述，步骤6中所述的方法，其特征在于：位级列置乱指：若j（j=1, 2, …, n）为奇数列，则对A ⁵的第j列元素进行w _i ²位向上循环移位操作；若i为偶数列，则对A ⁵的第j列元素进行w _i ²位向下循环移位操作。

有益效果：本发明针对原有频加密方法安全性差的问题，提出一种基于混沌的位级音频加密方法。主要贡献有：（1）利用混沌序列实现了音素级置乱和位级置乱；（2）利用位级加密的思想，实现了位级扩散。因此，该方法具有高效、安全和加密效果良好的特征，可有效地保护音频文件网络传输和存储的安全性。

附图说明

图1：基于混沌的多音频加密流程图；

图2：原始音频的时域波形图；

图3：加密音频的时域波形图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实例对本发明的实施过程进一步详细说明。

图1是本方法的加密流程图。

采用的编程软件为Matlab R2016b，选取1个大小为73113×1的音频文件作为原始音频。采用本方法，对原始图像加密的详细过程描述如下。

步骤1：令交互音频文件为A ¹，其大小为m×1，m是音素数目，1指音频文件为单声道；A ¹中元素范围为[-1, 1]，将所有元素加1，使其范围变为[0, 2]，再乘上指定系数d，使得每个音素值均可用n个二进制位来表示；

步骤2：混沌序列产生：选取PWLCM的初始值x ₀ ¹=0.203和参数p ¹=0.190，迭代该映射16次，可获得一个混沌序列W ¹={w _i ¹}₁₆；另参数a=35，b=3，c=38，参数y ₀=0.305，z ₀ ¹=0.408，迭代公式（3）中式子73113次，得到X ¹={ x _i ¹}₇₃₁₁₃，Y ¹={ y _i ¹}₇₃₁₁₃，Z ¹={ z _i ¹}₇₃₁₁₃；

步骤3：混沌整数化：按照公式（4）-（6）进行混沌整数化操作

步骤4：音素级置乱：对X ¹进行元素值升序排列，可得一个新的混沌序列X ²，利用X ¹和X ²元素位置的对应关系对A ²进行音素置乱，可得置乱矩阵A ³；

步骤5：音素二进制化：将A ³中的每个元素均用n位二进制位表示，可构成一个大小为m✕n的二进制位矩阵A ⁴；

步骤6：位级置乱：利用Y ²，对A ⁴执行位级行置乱，可得置乱结果A ⁵；再利用W ²，对A ⁵执行位级列置乱，可得置乱结果A ⁶；

步骤8：音素小数化：对A ⁷中的每行元素均用一个十进制数表示，可构成一个大小为m×1的十进制矩阵A ⁸；将A ⁸中的所有元素除以d，再减1，使其范围变为[-1, 1]。

在解密过程中，利用相同的混沌序列、混沌矩阵和对应的解密方法作用于加密音频，可得解密音频时域波形图，如图2所示。解密过程是加密的逆过程。