基于混沌序列的視頻保密通信

陳春光，禹思敏

(廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣東廣州510006)

基于混沌序列的視頻保密通信

陳春光，禹思敏

(廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣東廣州510006)

隨著網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)的快速發(fā)展，信息安全技術(shù)成為了人們關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)課題。圖像視頻信息保密通信是混沌應(yīng)用的一個(gè)新領(lǐng)域，混沌加密在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和視頻通信方面的應(yīng)用為解決信息安全問題開辟了一種新的途徑。根據(jù)一個(gè)離散時(shí)間混沌序列，運(yùn)用驅(qū)動(dòng)—響應(yīng)式同步方法對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)加密和解密，最后通過WiFi網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)現(xiàn)了無線混沌視頻保密通信。

視頻;混沌加密;驅(qū)動(dòng)—響應(yīng)式同步;保密通信

近年來，隨著混沌理論研究的深入，混沌應(yīng)用也成為了人們關(guān)注的熱點(diǎn)課題［1-4］?；煦缤脚c保密通信是混沌應(yīng)用的重要方向。在通信技術(shù)發(fā)展過程中，保密通信技術(shù)將是通信中的核心技術(shù)之一?；煦缑艽a學(xué)憑借其自身的特點(diǎn)，在保密通信中具有良好的應(yīng)用前景。

混沌保密通信主要是通過產(chǎn)生隨機(jī)性能良好的混沌序列，從而在多媒體加密和解密中獲得實(shí)際應(yīng)用。混沌系統(tǒng)的復(fù)雜性決定了混沌密碼系統(tǒng)的安全性，復(fù)雜的混沌結(jié)構(gòu)和行為能在很大程度上提高系統(tǒng)的安全性。混沌系統(tǒng)的同步、混沌序列的生成和加密速度的提高是混沌保密通信應(yīng)用的幾個(gè)實(shí)際問題。這些問題的解決將有助于混沌在多媒體加密技術(shù)中獲得更為廣泛的應(yīng)用［5］。本文根據(jù)一個(gè)離散時(shí)間混沌系統(tǒng)，利用驅(qū)動(dòng)—響應(yīng)式混沌同步方法對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)加密和解密，在ARM嵌入式平臺(tái)和TCP傳輸協(xié)議的基礎(chǔ)上，通過WiFi網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)現(xiàn)無線混沌視頻保密通信，硬件實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了該方法的有效性。

1 視頻保密通信系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

用混沌序列實(shí)現(xiàn)視頻加密和解密的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。主要分為3個(gè)部分和7個(gè)模塊。第一部分為服務(wù)器端，包括視頻采集模塊、格式轉(zhuǎn)換模塊和混沌加密模塊，服務(wù)器端主要是負(fù)責(zé)視頻采集、格式轉(zhuǎn)換和加密，并為下一步的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸作前期處理工作;第二個(gè)部分為無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，包括WiFi模塊和TP-Link 150 m無線路由器，通過TCP傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā);第三部分為客戶端，包括混沌解密模塊、格式轉(zhuǎn)換模塊和視頻播放模塊，主要負(fù)責(zé)解密和格式轉(zhuǎn)換和處理，最后還原出視頻圖像。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 硬件平臺(tái)選取

本系統(tǒng)是在ARM嵌入式平臺(tái)和Linux環(huán)境下開發(fā)的，在考慮資源和成本的情況下，選取飛凌嵌入式學(xué)習(xí)開發(fā)板S3C6410作為硬件平臺(tái)。S3C6410是基于ARM11內(nèi)核來設(shè)計(jì)的，與ARM9相比，它不僅是速度方面的提升，并且在其他功能上更具備開發(fā)價(jià)值。例如，S3C6410內(nèi)部集成了視頻流編解碼的功能。其次，S3C6410還能夠運(yùn)行Android等操作系統(tǒng)，配備有先進(jìn)的 OTG接口，支持SLC/MLC等主流的NAND Flash。此外，它還專門配備了多個(gè)擴(kuò)展模塊，如CMOS攝像頭模塊、WiFi無線模塊等可供選擇。在本系統(tǒng)中，通過CMOS攝像頭模塊和WiFi無線模塊來實(shí)現(xiàn)視頻采集和傳輸功能。

該系統(tǒng)由服務(wù)器和客戶端兩部分組成。服務(wù)器端采集視頻數(shù)據(jù)并進(jìn)行混沌加密，客戶端負(fù)責(zé)解密并顯示圖像。相應(yīng)的硬件平臺(tái)分別如圖2和圖3所示。

圖2 服務(wù)器端硬件平臺(tái)

圖3 客戶端硬件平臺(tái)

1.3 視頻圖像的主要特點(diǎn)

對于靜止圖像而言，由于其數(shù)據(jù)量相對較少，對網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的要求不高，加密和解密操作簡單。然而，對于視頻來說，具有數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)要求高、傳輸速率快且視頻數(shù)據(jù)傳輸時(shí)對網(wǎng)絡(luò)帶寬有較高要求等特點(diǎn)。通常而言，如果播放速率達(dá)到16～20 f/s(幀/秒)以上，視頻的播放才相對流暢。本系統(tǒng)所采用的CMOS接口攝像頭產(chǎn)生的圖像像素點(diǎn)為 320×240×2，每幀為150 kbyte，視頻圖像效果較清晰。

2 視頻信號(hào)的混沌加密和解密原理

2.1 加密和解密原理

在本系統(tǒng)中，選取如下的混沌系統(tǒng)作為視頻信號(hào)的加密和解密運(yùn)算

式中:a11=0.2;a12=-0.3;a13=0.1;a21=0.3;a22= -0.2;a23=-0.1;a31=-0.1;a32=-0.1;a33=0.2; A=1.8×105;B=16。

根據(jù)式(1)，進(jìn)一步得基于驅(qū)動(dòng)—響應(yīng)式同步的加密和解密原理框圖如圖4所示。

圖4 基于驅(qū)動(dòng)—響應(yīng)式同步的加密和解密原理框圖

2.2 加密過程

驅(qū)動(dòng)—響應(yīng)式同步是在加密端和解密端之間實(shí)現(xiàn)的。在加密端的混沌系統(tǒng)中，首先選取驅(qū)動(dòng)變量x2(k) (k=1，2，…)，通過賦予初值使混沌系統(tǒng)在加密端開始迭代，產(chǎn)生初始序列x2(1)。x2(1)與所要加密的視頻序列的首個(gè)數(shù)據(jù)s(1)進(jìn)行異或操作，得到加密后的混沌序列p(1)，再將p(1)反饋回來給x1(1)與x3(1)，重新形成一組新的數(shù)據(jù)x1(2)，x2(2)，x3(2)。同時(shí)在新一輪的迭代中，一旦選取了x2(k)(k=1，2，…)為驅(qū)動(dòng)變量，式(1)中第1個(gè)和第3個(gè)方程的x2(k)與產(chǎn)生的p(k)將進(jìn)行下一步的迭代運(yùn)算，通過這樣一系列的迭代后產(chǎn)生混沌序列流p(k)(k=1，2，…)。

2.3 解密過程

在解密端，采用相同的混沌系統(tǒng)進(jìn)行逆操作運(yùn)算。p(k)(k=1，2，…)通過WiFi無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浇饷芏撕?，與解密端混沌系統(tǒng)產(chǎn)生的x2(k)(k=1，2，…)進(jìn)行異或運(yùn)算，在混沌同步的情況下，能還原出原來的視頻信號(hào)(k)=s(k)(k=1，2，…)，最后將視頻數(shù)據(jù)解密出來。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與硬件實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)包括服務(wù)器和客戶端兩部分。服務(wù)器端利用CMOS攝像頭采集視頻數(shù)據(jù)，進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換后，用加密端產(chǎn)生的混沌序列進(jìn)行加密操作，最后通過WiFi模塊發(fā)送加密后的視頻數(shù)據(jù)p(k)(k=1，2，…)。在客戶端通過WiFi模塊接收加密后的視頻數(shù)據(jù)，經(jīng)過解密后得到原始的視頻流(k)=s(k)(k=1，2，…)，并且在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示出來。整個(gè)系統(tǒng)的工作流程如圖5所示。

3.2 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)包括兩塊S3C6410開發(fā)板，分別用作服務(wù)器端和客戶端。服務(wù)器端連接CMOS攝像頭和無線收發(fā)設(shè)備，負(fù)責(zé)采集與發(fā)送?？蛻舳诉B接無線收發(fā)設(shè)備與LED顯示屏，負(fù)責(zé)接收視頻數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)播放。服務(wù)器端和客戶端對應(yīng)的兩塊開發(fā)板分別如圖6、圖7所示。

圖5 系統(tǒng)的工作流程圖

圖6 服務(wù)器端

圖7 客戶端

3.3 硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)果

經(jīng)過理論分析與仿真、硬件平臺(tái)選擇和參數(shù)調(diào)試等一系列過程后，再利用SOCKET網(wǎng)絡(luò)編程，得到在板級(jí)環(huán)境下視頻混沌保密通信的硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)果如圖8～圖10所示。從圖9可以看出，原始視頻圖像經(jīng)過混沌序列加密后，整個(gè)屏幕都變成了一幅雪花點(diǎn)圖像，說明混沌序列加密達(dá)到了預(yù)期的效果。從圖10可以看出，在客戶端經(jīng)同步的混沌序列解密后，能夠還原出與原始視頻幾乎相同的圖像，這說明混沌加密技術(shù)在視頻保密通信中具有良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖8 原始視頻

圖9 加密后視頻

圖10 解密后視頻

4 結(jié)論

本文根據(jù)一個(gè)離散時(shí)間混沌系統(tǒng)，利用驅(qū)動(dòng)—響應(yīng)式同步方法對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)加密和解密。實(shí)驗(yàn)中采用了兩塊S3C6410開發(fā)板，分別用作服務(wù)器端和客戶端，在ARM嵌入式平臺(tái)和TCP傳輸協(xié)議的基礎(chǔ)上，通過WiFi網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)現(xiàn)了無線混沌視頻保密通信，給出了硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)果，證實(shí)了該方法的有效性。在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究中，將重點(diǎn)考慮視頻的H.264編碼和解碼，進(jìn)一步解決傳輸速率的問題。

［1］PECORA LM，CARROLL T L.Synchronization in chaotic systems［J］. Phys.Rev.Lett.，1990，64(8):821-823.

［2］陳關(guān)榮，汪小帆.動(dòng)力系統(tǒng)的混沌化——理論、方法與應(yīng)用［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，2006.

［3］KHANZADIH，ESHGHIM，BORUJENISE.Design and FPGA implementation of a pseudo random bit generator using chaoticmaps［J］.IETE Journal of Research，2013(59):63-73.

［4］RAO K D，GANGADHAR C.Discrete wavelet transform and modified chaotic key-based algorithm for image encryption and its VLSI realization［J］.IETE Journal of Research，2012(58):114-20.

［5］禹思敏.混沌系統(tǒng)與混沌電路——原理、設(shè)計(jì)及其在通信中的應(yīng)用［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2011.

Video Secure Communications Based on Chaotic Sequences

CHEN Chunguang，YU Simin
(College of Automation，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China)

With the rapid development of networks and multimedia technology，information security technology has become a hot topic of concern. Secure communications on video information is a new field of chaos application.Utilizing chaotic encryption in computer networks and video communication has opened a new approach for solving information security.In this paper，according to a discrete-time chaotic sequence，the drive-response synchronization method is applied to encrypt and decrypt video information in real-time.Finally，theWiFi network has been considered for the implementation of wireless chaotic video secure communications.

video;chaotic encryption;drive-response synchronization;secure communication

TN914.3

A

陳春光(1986—)，碩士生，研究方向?yàn)榛煦绫Ｃ芡ㄐ?

?? 盈

2014-01-14

【本文獻(xiàn)信息】陳春光，禹思敏.基于混沌序列的視頻保密通信［J］.電視技術(shù)，2014，38(23).

廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(S2011010001018)

禹思敏(1957—)，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榉蔷€性電路與系統(tǒng)、混沌理論與保密通信。