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概述

该文章来源于之前做过的一个小项目，属于FPGA图像处理领域，具体而言，是基于FPGA实现arnold和logistic加密解密算法。

原理

arnold置乱参考：

图像加密——matlab实现Arnold置乱算法及矩阵幂的求解，https://blog.csdn.net/H19981118/article/details/123577591?ops_request_misc=%257B%2522request%255Fid%2522%253A%2522168068215616782427430956%2522%252C%2522scm%2522%253A%252220140713.130102334…%2522%257D&request_id=168068215616782427430956&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2_alltop_positive~default-1-123577591-null-null.142^v81wechat,201^v4add_ask,239^v2insert_chatgpt&utm_term=arnold%E7%BD%AE%E4%B9%B1&spm=1018.2226.3001.4187

logistic置乱参考：

【图像加密】图像处理之Logistic混沌置乱加密，https://blog.csdn.net/hujingshuang/article/details/45718069?ops_request_misc=%257B%2522request%255Fid%2522%253A%2522168068224116800180683823%2522%252C%2522scm%2522%253A%252220140713.130102334.pc%255Fall.%2522%257D&request_id=168068224116800180683823&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2_allfirst_rank_ecpm_v1~rank_v31_ecpm-11-45718069-null-null.142^v81wechat,201^v4add_ask,239^v2insert_chatgpt&utm_term=logistic%E5%8A%A0%E5%AF%86&spm=1018.2226.3001.4187

设计方案

该项目整体流程如下：首先将一张图片提前存入FPGA的ROM中，将ROM中的图像数据读出，分解为RGB三个通道。其中，R通道和G通道使用，B通道使用。最终整合三个通道，合并为RGB图像，并在HDMI端进行显示。同时，将加密后的图像进行相应算法的逆解密过程，并同样将解密图像输出至HDMI端进行显示。
具体而言，首先从硬件选型的方面来看，A7系列的板卡完全能够满足资源要求，但本次项目所需要的RAM数量较多，结合实际情况最终选用XC7A35TFGG484-2板卡作为本次实验的FPGA板卡。
其次从输出设备来看，选用HDMI作为本次实验的输出设备，这是由于HDMI是非常高速且性能表现良好的图像接口，同时板卡中也带有HDMI接口。
最后是方案设计：将图片通过工具转换为COE文件，加载进ROM的IP核中，将图像从ROM中读出，分通道进行加密，加密图像存入RAM中，等待同步信号，将加密图像合并输出并进行显示，而后将加密后的图像存入RAM中，读出进行解密，解密后的图像存入RAM中，等待同步信号出现释放图像，合并图像并进行HDMI输出显示，最开始在显示端，想用VIO控制加密和解密图像显示，但是觉得很麻烦，还需要人工操作，最终通过计数的方法，在计满一定帧数后切换至另一图像，实现加密图像和解密图像的交替显示。

FPGA实现

最终整体RTL图如图所示：
图1-1RTL图

代码如图 所示：

图1-2 代码图

实验与测试

资源占用率如图所示：

图2-1资源占用率

板卡验证结果：
图2-2 解密图显示
图2-3 加密图像显示

图2-2为加密图显示于hdmi显示器，图2-3为加密后图像显示于HDMI端。从图2-2和2-3可以看出，该工程能够有效、快速地将图像加密，置乱轮数由自己决定，同时可以通过解密算法将加密图像进行还原，由于本文rom资源有限，因此分辨率较低，后续也可以通过串口、sd卡等方式输入高分辨率的图像。

总结：整体而言，该设计还有许多优化之处，比如资源的优化，大可不必使用如此多的RAM资源，但是为了便于调试本次项目中还是用了许多RAM。但从结果来说，实现了项目要求，正确的加密并解密了图像，同时产生极低的时间开销，这也归功于FPGA并行处理优势和流水线操作。