《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于Lorenz混沌系統(tǒng)的數(shù)字視頻加密
來源:微型機(jī)與應(yīng)用2011年第4期
姚翔輝,, 禹思敏
(廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 廣東 廣州 510006)
摘要: 為解決視頻信息的安全問題,,研究了一個(gè)基于Lorenz混沌系統(tǒng)的視頻加密方案。該方案首先將三維Lorenz混沌系統(tǒng)進(jìn)行離散化處理,,然后運(yùn)用驅(qū)動(dòng)式響應(yīng)同步的方式進(jìn)行同步處理,,對(duì)隨機(jī)采集到的AVI視頻文件進(jìn)行混沌加密,。通過采用Matlab仿真軟件,,編寫相應(yīng)的加解密程序進(jìn)行仿真,,最后,對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,,結(jié)果表明該方案具有安全性高,、靈活性好的特點(diǎn)。
Abstract:
Key words :

摘  要: 為解決視頻信息的安全問題,,研究了一個(gè)基于Lorenz混沌系統(tǒng)視頻加密方案,。該方案首先將三維Lorenz混沌系統(tǒng)進(jìn)行離散化處理,,然后運(yùn)用驅(qū)動(dòng)式響應(yīng)同步的方式進(jìn)行同步處理,,對(duì)隨機(jī)采集到的AVI視頻文件進(jìn)行混沌加密。通過采用Matlab仿真軟件,編寫相應(yīng)的加解密程序進(jìn)行仿真,,最后,,對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,結(jié)果表明該方案具有安全性高,、靈活性好的特點(diǎn),。
關(guān)鍵詞: Lorenz混沌系統(tǒng); 視頻加密; 驅(qū)動(dòng)響應(yīng)同步

    Shannon在經(jīng)典論文中指出,好的加密系統(tǒng)應(yīng)具有對(duì)密鑰的敏感性,,以及能夠?qū)⒚魑某浞值刂脕y并改變其統(tǒng)計(jì)特性,,而這正是與混沌迭代特性相一致的。同時(shí),,混沌的拓?fù)鋫鬟f類似于密碼的擴(kuò)散,混沌對(duì)參數(shù)的敏感性則對(duì)應(yīng)著密碼對(duì)密鑰的敏感性,。于是,可以利用混沌的特性來設(shè)計(jì)序列密碼或者分組密碼,特別是分組密碼,,利用混沌的拓?fù)鋫鬟f特性來快速地置亂和擴(kuò)散明文數(shù)據(jù),,以達(dá)到改變明文統(tǒng)計(jì)特性的目的[1-4]。
    近年來,,混沌保密及其應(yīng)用成為了信息安全領(lǐng)域的一個(gè)研究重點(diǎn),,特別是混沌數(shù)字圖像、語音及視頻加密問題引起了研究者的極大關(guān)注,。但目前對(duì)混沌保密的研究主要局限于數(shù)字圖像和語音的加密,,而對(duì)于有關(guān)視頻加密的研究卻非常少,傳統(tǒng)的加密算法如DES,、IDEA,、Blowfish、RSA等,,理論上可以用于數(shù)字視頻加密,,但上述方法并未考慮到視頻文件的自身特點(diǎn),勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致文件的結(jié)構(gòu)被破壞,又因?yàn)橐曨l文件的海量特性,,上述算法加密的速率無法得到保證,。因此研究新的安全性高且加密速度快的視頻加密算法是非常必要的[5-13]。
    本文提出了用三維Lorenz混沌系統(tǒng)和Matlab仿真工具實(shí)現(xiàn)混沌數(shù)字視頻加密,。利用Matlab工具產(chǎn)生AVI視頻信號(hào),,同時(shí),利用混沌序列對(duì)初始條件和系統(tǒng)參數(shù)非常敏感的特性,,采用驅(qū)動(dòng)響應(yīng)式同步的加密算法方案,,對(duì)產(chǎn)生的AVI視頻進(jìn)行加解密,最后通過將混沌序列的初始條件和系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行微弱調(diào)整,,對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行深入分析,。
1 AVI視頻文件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
    音頻視頻交錯(cuò)格式AVI(Audio Video Interleaved)是將語音和影像同步組合在一起的文件格式。它對(duì)視頻文件采用了一種有損壓縮方式,但壓縮比較高,,AVI支持256色和RLE壓縮,,一個(gè)AVI文件可以包含多個(gè)不同類型的媒體流,它以一系列的位圖來存儲(chǔ)視頻信息,,并在文件中加入以數(shù)字形式存儲(chǔ)的數(shù)字化視頻信息,。
    AVI包含三部分:文件頭、數(shù)據(jù)塊和索引塊,。其中文件頭包括文件的通用信息,,定義數(shù)據(jù)格式及壓縮算法等參數(shù)。數(shù)據(jù)塊包含實(shí)際數(shù)據(jù)流,,即圖像和聲音序列數(shù)據(jù),是文件的主體,,也是決定文件容量的主要部分。視頻文件的大小等于該文件的數(shù)據(jù)率乘以該視頻播放的時(shí)間長度,。索引塊包括數(shù)據(jù)塊列表和它們?cè)谖募械奈恢?,以提供文件?nèi)數(shù)據(jù)隨機(jī)存取能力。
2 Lorenz混沌系統(tǒng)與離散化處理
    使用一個(gè)Lorenz混沌系統(tǒng)來進(jìn)行AVI視頻文件的加密和解密,,Lorenz系統(tǒng)的無量綱狀態(tài)方程數(shù)學(xué)表達(dá)式為[14]:

    根據(jù)式(1)和式(2)以及上述參數(shù),,可以得到Lorenz混沌系統(tǒng)中吸引子的數(shù)值仿真結(jié)果,圖1所示為x-y方向上的Lorenz混沌系統(tǒng)吸引子相圖,。
3 基于Lorenz混沌系統(tǒng)的視頻加密算法設(shè)計(jì)
3.1 AVI視頻文件的讀入

    利用隨機(jī)采樣到的一段AVI視頻進(jìn)行混沌加密,,由于Matlab中只支持ZJmedia Umcompress RGB24編碼方式的AVI視頻文件,因此首先有必要把采集到的這段視頻文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理,使其能夠無障礙地載入到Matlab工具中,。利用專業(yè)的轉(zhuǎn)換軟件Winavi進(jìn)行操作,視頻經(jīng)過相應(yīng)的處理之后,,讀入到Matlab工具當(dāng)中去。
3.2 視頻加密方案
    根據(jù)密碼學(xué)原理,首先要把視頻信息進(jìn)行置亂處理,,然后利用混沌系統(tǒng)來進(jìn)行擴(kuò)散加密,。
    利用式(2)中的混沌系統(tǒng)狀態(tài)方程,經(jīng)過離散化之后來實(shí)現(xiàn)數(shù)字視頻混沌加密,。在驅(qū)動(dòng)響應(yīng)式同步的基礎(chǔ)上,,加入信號(hào)后再形成一個(gè)閉環(huán)和反饋,使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和響應(yīng)系統(tǒng)有同步信號(hào),,工作原理如圖2所示,。


    通過在Matlab軟件上編程之后驗(yàn)證可以得到,Lorenz系統(tǒng)完全能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動(dòng)響應(yīng)式同步,,其仿真結(jié)果如圖3所示,,其中橫坐標(biāo)代表發(fā)送端信號(hào)x(n),而縱坐標(biāo)則為接收端的信號(hào)x′(n),從圖中可以看出,,二者是嚴(yán)格同步的,。 

4 Matlab仿真結(jié)果及分析
4.1 仿真結(jié)果

    在Matlab7.1的工作平臺(tái)下,,按照上文提出的加密方案編寫相應(yīng)的程序?qū)σ曨l文件“original.avi”進(jìn)行加密與解密,Lorenz系統(tǒng)的初始值(x0,y0,z0)取為(0.01,0.02,0.03),,圖4~圖7是加解密的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,其中圖4顯示的是原始視頻中的最后一幀原始圖像,,圖5是最后一幀原始圖像經(jīng)過混沌系統(tǒng)加密后的效果圖,,圖6是在系統(tǒng)參數(shù)完全一致以及初始條件(x1,y1,z1)改為(10,20,10)的情況下解密出來的圖像效果圖,圖7則是修改了系統(tǒng)參數(shù)b為30.000 01之后的效果圖。

4.2 結(jié)果分析
    在采用上述加密算法之后,用Matlab仿真工具編程對(duì)“original.avi”進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn),,由結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),,由于是視頻加密,因此只能分析單一的一幀圖像,,如圖5所示,,是加密之后最后一幀的圖像,加密效果相當(dāng)不錯(cuò),,完全看不出視頻文件的內(nèi)容,。當(dāng)在Lorenz混沌系統(tǒng)初始條件(x0,y0,z0)不同和而系統(tǒng)參數(shù)(a,b,c)完全匹配的情況下,得到解密的最后一幀的圖像如圖6所示,,完全和原始圖像一樣,,解密效果非常明顯。然后,,調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)b,把b的值重新取為30.000 01時(shí),得到如圖7所示的解密效果圖,,解密出來的圖像已經(jīng)無法看清了,非常模糊,,這說明此種加密算法具有很高的安全性,,該系統(tǒng)的安全性主要來自于發(fā)送端與接收端參數(shù)失配的高度敏感性。
    根據(jù)以上仿真結(jié)果和分析,,混沌本身具有實(shí)現(xiàn)密碼的許多優(yōu)點(diǎn),,其內(nèi)在的帶有確定性的隨機(jī)性和計(jì)算復(fù)雜度低的特點(diǎn)具有很大的吸引力。目前,,國內(nèi)外學(xué)者將混沌加密理論應(yīng)用到視頻加密的還不多,主要集中在直接加密方面,,沒有利用視頻數(shù)據(jù)本身的特性和選擇性加密的優(yōu)點(diǎn),沒有很好地結(jié)合視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)方面的研究,因此很難提高其實(shí)用性和實(shí)時(shí)性,。將混沌加密與選擇性加密相結(jié)合,,是今后混沌保密算法方面一個(gè)重要的發(fā)展方向。
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