采用Lorenz混沌系統(tǒng)的數(shù)字視頻加密技術(shù)介紹

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，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，勢必會導(dǎo)致文件的結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)果進行深入分析。

　　1 AVI視頻文件結(jié)構(gòu)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(xué)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(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

　　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(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(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。