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(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(zhǎng)度。索引塊包括數(shù)據(jù)塊列表和它們?cè)谖募械奈恢茫蕴峁┪募?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。