摘 要： 為解決視頻信息的安全問題，研究了一個基于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)動式響應(yīng)同步的方式進(jìn)行同步處理，對隨機(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,混沌對參數(shù)的敏感性則對應(yīng)著密碼對密鑰的敏感性。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)，勢必會導(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，同時(shí)，利用混沌序列對初始條件和系統(tǒng)參數(shù)非常敏感的特性，采用驅(qū)動響應(yīng)式同步的加密算法方案，對產(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AVI文件可以包含多個不同類型的媒體流，它以一系列的位圖來存儲視頻信息，并在文件中加入以數(shù)字形式存儲的數(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)塊列表和它們在文件中的位置，以提供文件內(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)動響應(yīng)式同步的基礎(chǔ)上，加入信號后再形成一個閉環(huán)和反饋，使驅(qū)動系統(tǒng)和響應(yīng)系統(tǒng)有同步信號，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x(n),而縱坐標(biāo)則為接收端的信號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“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，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重要的發(fā)展方向。
參考文獻(xiàn)
[1] 王培榮，徐結(jié)，付沖．一種符合混沌數(shù)字圖像加密算法[J]．通信學(xué)報(bào)，2006，27(1)：1-4．
[2] 張愛華，江中勤. 基于Logistic映射的混沌圖像加密算法的改進(jìn)[J].南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29(4):69-73.
[3] 陳關(guān)榮，汪小帆. 動力系統(tǒng)的混沌化:理論、方法與應(yīng)用[M].上海:上海交通大學(xué)出版社，2006.
[4] 毛明. 大眾密碼學(xué)[M].北京:高等教育出版社，2005.
[5] KOCAREV L，JAKIMOSKI G. Logistic map as a block encryption algorithm[J]．Physics Letters，2001(A289)：199-206．
[6] 匡錦瑜，鄧?yán)?，黃榮懷．利用時(shí)空混沌同步進(jìn)行數(shù)字加密通信[J]. 物理學(xué)報(bào)，2001，50(10)：1856-1861．
[7] ZHANG Y, DAI M, HUA Y. et al. Phys.Rev, 1998(E58):3022.
[8] LU J H，YU S M，HENRY L，et al.Experimental verication of multidirectional multiscroll chaotic attractors[J]． IEEE Trans．Circuits Syst．(part-I)，2006，53(1)：149-165．
[9] ZHOU C, LAI C. Phys,Rev,1999(E60):320.
[10] LV Jin Hu, CHEN Guan Rong. Generating multiscroll chaotic attractors：theories methods and applications[J]. International Journal Bifurcation Chaos，2006，16(4)：775-858．
[11] 黃麗蓮，尹啟天.基于輸出控制的混沌同步保密通信系統(tǒng)[J].電子與信息學(xué)報(bào),2009，31(10)：2402-2405.
[12] JIANG Z P. A note on chaotic secure communication systems.IEEE Transcations on Circuits and Systems-I 2002,49(1):92-96.
[13] ZOU Y L, ZHU J. Controlling the chaotic n-scroll Chua′s circuit with two low pass filters[J].Chaos, Solitons and Fractals,2006,29(2):400-406.
[14] LORENZ E N, ATMOS J. 1963 Sci.20 130.