基于Lorenz混沌系统的数字视频加密技术介绍

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、语音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]。

　　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。

　　1 AVI视频文件结构特点

　　音频视频交错格式AVI(Audio Video Interleaved)是将语音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。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时间长度。索引块包括数据块列表和它们在文件中的位置，以提供文件内数据随机存取能力。

　　2 Lorenz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]：

　　根据式(1)和式(2)以及上述参数，可以得到Lorenz混沌系统中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法设计

　　3.1 AVI视频文件的读入

　　利用随机采样到的一段AVI视频进行混沌加密，由于Matlab中只支持ZJmedia Umcompress RGB24编码方式的AVI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之后，读入到Matlab工具当中去。
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)中的混沌系统状态方程，经过离散化之后来实现数字视频混沌加密。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。

　　通过在Matlab软件上编程之后验证可以得到，Lorenz系统完全能够实现驱动响应式同步，其仿真结果如图3所示，其中横坐标代表发送端信号x(n),而纵坐标则为接收端的信号x′(n)，从图中可以看出，二者是严格同步的。

　　4 Matlab仿真结果及分析

　　4.1 仿真结果

　　在Matlab7.1的工作平台下，按照上文提出的加密方案编写相应的程序对视频文件“original.avi”进行加密与解密，Lorenz系统的初始值(x0,y0,z0)取为(0.01,0.02,0.03)，图4~图7是加解密的实验结果，其中图4显示的是原始视频中的最后一帧原始图像，图5是最后一帧原始图像经过混沌系统加密后的效果图，图6是在系统参数完全一致以及初始条件(x1,y1,z1)改为(10,20,10)的情况下解密出来的图像效果图,图7则是修改了系统参数b为30.000 01之后的效果图。