基于Lorenz混沌系统的数字视频加密

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1、基于Lorenz混沌系统的数字视频加密［图］作者：姚翔辉禹思敏I出处:微型机与应用2011年第4期

2、2011-06-0716:36:02丨阅读：118次基于Lorenz混沌系统的数字视频加密［图］，近年來，混沌保密及其应用成为了信息安全领域的一个研究重点，特别是混沌数字图像、语音及视频加密问题引起近年来，混沌保密及其应用成为了信息安全领域的一个研究重点，特别是混沌数字图像、语咅及视频加密问题引起了研究者的极大关注。但目前对混沌保密的研究主要局限于数字图像和语音的加密，而对于有关视频加密的研究却非常少，传统的加

3、密算法如DES、IDEA、Blowfish.RSA等，理论上可以用于数字视频加密，但上述方法并未考虑到视频文件的自身特点，势必会导致文件的结构被破坏，又因为视频文件的海量特性，上述算法加密的速率无法得到保证。因此研究新的安全性高且加密速度快的视频加密算法是非常必要的［5-13］o本文提出了用三维Lorenz混沌系统和Matlab仿真工具实现混沌数字视频加密。利用Matlab工具产生AVI视频信号，同时，利用混沌序列对初始条件和系统参数非常敏感的特性，采用驱动响应式同步的加密算法方案，对产生的AVI视频进行加解

4、密，最后通过将混沌序列的初始条件和系统参数进行微弱调整，对仿真结果进行深入分析。1AVI频文件结构特点咅频视频交错格式AVI(AudioVideoInterleaved)是将语咅和影像同步组合在一起的文件格式。它对视频文件采用了一种有损压缩方式，但压缩比较高，AVI支持256色和RLE压缩,一个AVI文件可以包含多个不同类型的媒体流，它以一系列的位图来存储视频信息，并在文件中加入以数字形式存储的数字化视频信息。AVI包含三部分：文件头、数据块和索引块。其中文件头包括文件的通用信息，定义数据格式及压缩算法等参数

5、。数据块包含实际数据流，即图像和声音序列数据，是文件的主体，也是决定文件容量的主要部分。视频文件的大小等于该文件的数据率乘以该视频播放的吋间长度。索引块包括数据块列表和它们在文件屮的位置，以提供文件内数据随机存取能力。2Lorenz混沌系统与离散化处理使用一个Lorenz混沌系统来进行AVI视频文件的加密和解密，Lorenz系统的无量纲状态方程数学表达式为［14］：(k/(b=-a*x-y)](ly/(h=fcx-.tz-y(I)l(k/d/=-t2+xy利用Euler算注对式(1)件离散化处理•得到离散化后

6、的迭代方程为：1t(/i+1)=-(aT){x(n)-y(n))+.vIn)(2)

7、y(n+1)=T(6x(n)-xin)z(.,i)-y(n))-y(n)lz(n+l)=T(-cz:ri)+x(n)y(町)(n)式中r=o.()5为取样时间.a、g?nc为系统参数•英中”luj.=30,c=8/3oeleefans>com"处仏根据式(1)和式(2)以及上述参数，可以得到Lorenz混沌系统屮吸引子的数值仿真结果，图1所示为x-y方向上的Lorenz混沌系统吸引子相图。3基于Lorenz混沌系统的视频加密算

8、法设计3.1AVI视频文件的读入利用随机采样到的一段AV1视频进行混沌加密，由于Matlab屮只支持ZJmediaUmconipressRGB24编码方式的AV1视频文件，因此首先有必要把采集到的这段视频文件进行转换处理，使其能够无障碍地载入到Matlab工具中。利用专业的转换软件Winavi进行操作，视频经过相应的处理Z后，读入到MatlabI具当屮去。3.2视频加密方案根据密码学原理，首先要把视频信息进行置乱处理，然后利用混沌系统来进行扩散加密。利用式(2)屮的混沌系统状态方程，经过离散化Z后来实现数字视

9、频混沌加密。在驱动响应式同步的基础上，加入信号后再形成一个闭环和反馈，使驱动系统和响应系统有同步信号,工作原理如图2所示。3茨挠友在这里•利帀Lorenz的另变虽作为驱动仿号对视频倩号进行加密，由图2可知•加密倍号为p(n)=x(n)+s(h),于是，由式(2)得到发送端的迭代方程为：x(n+l)=-(aT)(x(n)-y(n))4-x(n)；y(n4-1)=T(6p(n)-p(n)z(n)-y(n))-t(n：•(3)i才(刀+I)二T(t■力(n)4-p(n)y(n))4z(n)一苴中，&(n)为累始的视

10、緬仁号,

11、fbx(n)0!JJAjl^:renz混沌系统芷驱动荷号，本文采用敢字相加旳方式來进行覆孟:，在按收竭，解密后的图像伯号为5'(H)=p(R)P'(H),接收瑞的响应状态方程为:(町)+*(“)y,(n^l)=T(6p(n)-p(n)zf(n)-y,{n)^y,(n)(4)z，(n^l)=T{-cz，(n)+p(.i)y，(n))^z，(n)其中，通过s(nup(n)-xr(n)ft操作