基于Lorenz混沌系統(tǒng)的數(shù)字視頻加密
近年來，混沌保密及其應用成為了信息安全領域的一個研究重點，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，勢必會導致文件的結構被破壞,又因為視頻文件的海量特性，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，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)動響應式同步的加密算法方案，對產(chǎn)生的AVI視頻進行加解密，最后通過將混沌序列的初始條件和系統(tǒng)參數(shù)進行微弱調(diào)整，對仿真結果進行深入分析。
1 AVI視頻文件結構特點
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)學表達式為[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)的視頻加密算法設計
3.1 AVI視頻文件的讀入
利用隨機采樣到的一段AVI視頻進行混沌加密，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進行操作,視頻經(jīng)過相應的處理之后，讀入到Matlab工具當中去。3.2 視頻加密方案
根據(jù)密碼學原理,首先要把視頻信息進行置亂處理，然后利用混沌系統(tǒng)來進行擴散加密。
利用式(2)中的混沌系統(tǒng)狀態(tài)方程，經(jīng)過離散化之后來實現(xiàn)數(shù)字視頻混沌加密。在驅(qū)動響應式同步的基礎上，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軟件上編程之后驗證可以得到，Lorenz系統(tǒng)完全能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動響應式同步，其仿真結果如圖3所示，其中橫坐標代表發(fā)送端信號x(n),而縱坐標則為接收端的信號x′(n)，從圖中可以看出，二者是嚴格同步的。
4 Matlab仿真結果及分析
4.1 仿真結果
在Matlab7.1的工作平臺下，按照上文提出的加密方案編寫相應的程序?qū)σ曨l文件“original.avi”進行加密與解密，Lorenz系統(tǒng)的初始值(x0,y0,z0)取為(0.01,0.02,0.03)，圖4~圖7是加解密的實驗結果，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。
在采用上述加密算法之后,用Matlab仿真工具編程對“original.avi”進行仿真實現(xiàn)，由結果可以發(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，加密效果相當不錯，完全看不出視頻文件的內(nèi)容。當在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,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)以上仿真結果和分析，混沌本身具有實現(xiàn)密碼的許多優(yōu)點，其內(nèi)在的帶有確定性的隨機性和計算復雜度低的特點具有很大的吸引力。目前，國內(nèi)外學者將混沌加密理論應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，沒有很好地結合視頻壓縮標準方面的研究,因此很難提高其實用性和實時性。將混沌加密與選擇性加密相結合，是今后混沌保密算法方面一個重要的發(fā)展方向。
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