CN101902576A - 视频加密摄像机及其加密方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种视频加密摄像机，包括视频采集模块、视频预处理及加密模块、视频存储模块。所述视频采集模块完成视频采集后将视频数据传送至视频预处理及加密模块，视频预处理及加密模块对每一帧视频数据进行预处理，然后再调用视频存储模块中的混沌加密系统进行计算产生混沌序列，接着将混沌序列与每一帧视频数据进行异或运算从而对视频数据进行加密，加密后的视频数据实时地存储至视频存储模块中。相对于现有技术，本发明的视频加密摄像机在采集视频数据以及对视频数据进行预处理的同时对视频数据进行加密，加密后的视频数据被实时存储在视频存储模块中，避免了原始视频数据遭到非法窃取或纂改的后果。

Description

视频加密摄像机及其加密方法

技术领域

本发明属于视频信息安全技术领域，涉及一种对视频数据具有加密功能视频摄像机及其加密方法。

背景技术

目前，适用于户外移动拍摄的单机型视频采集系统均是将采集到的视频信息直接存储至其存储模块中。但是，随着科技的发展，各种盗窃、纂改视频内容的手段也迅速发展，原始视频文件内容的真实性和可靠性、以及其涉及的知识产权均受到严重威胁，某些领域的视频信息保护迫在眉睫。例如，对于电影、纪录片等的拍摄往往需要在制作和完善期间防止内容外泄，以及在后期防止内容被随意复制传播；又如对于银行、考场等的监控录像的原始视频数据需要防止被人恶意修改以保障其真实性和可靠性；再如个人的视频信息亦需要加以保密以防止个人隐私的泄露。

另外，基于固定式摄像头的远程视频监控安全技术大多采用“用户名/密码”的认证技术，视频数据在传输过程中没有进行加密，易受到黑客攻击。而现有技术中部分采用视频加密的视频监控系统中，视频摄入设备和视频加密设备是两个独立设备，系统的集成度低，攻击者仍可通过视频摄入设备窃取或纂改原始视频数据，存在安全隐患，同时也不适用于便携场合。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种视频加密摄像机。

同时，本发明还提供所述视频加密摄像机的加密方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种视频加密摄像机，包括视频采集模块、视频预处理及加密模块、视频存储模块。所述视频采集模块完成视频采集后将视频数据传送至视频预处理及加密模块，视频预处理及加密模块对每一帧视频数据进行预处理，然后再调用视频存储模块中的混沌加密系统进行计算产生混沌序列，接着将混沌序列与每一帧视频数据进行异或运算从而对视频数据进行加密，加密后的视频数据实时地存储至视频存储模块中。

进一步，所述视频存储模块中存储有至少二个相异的混沌加密系统，视频预处理及加密模块根据用户指令调用指定的混沌加密系统对视频数据进行加密。

具体的，所述视频预处理及加密模块为DSP芯片。所述视频采集模块包括镜头、CCD传感器和A/D转换器，外界物体通过镜头在CCD传感器上成像，CCD传感器通过A/D转换器将光学图像转换成数字图像信息，然后输送至视频预处理及加密模块。所述视频存储模块包括SDRAM、FLASH ROM、SD存储卡和大容量硬盘，其中，FLASH ROM中存储有多个混沌加密系统，包括Lorenz混沌加密系统、Logistic混沌加密系统、Liu混沌加密系统和二维猫映射混沌加密系统，大容量硬盘用以存储经过处理和加密后的视频数据。

一种视频加密摄像机的加密方法，包括如下步骤：

S1：视频采集模块完成视频采集后将视频数据传送至视频预处理及加密模块；

S2：视频预处理及加密模块对每一帧视频数据进行预处理，然后再调用视频存储模块中的混沌加密系统进行计算产生混沌序列，接着将混沌序列与每一帧视频数据进行异或运算从而对视频数据进行加密；

S3：加密后的视频数据实时地存储至视频存储模块中。

相对于现有技术，本发明的视频加密摄像机及其加密方法在采集视频数据以及对视频数据进行预处理的同时对视频数据进行加密，加密后的视频数据被存储在视频存储模块中，避免了原始视频数据遭到非法窃取或纂改的后果。此外，多个相异混沌加密系统存储在视频存储模块中供用户随机选择调用，避免了视频数据的单一加密而容易被破解，提高了加密效率以及视频数据的安全性。

为了能更清晰的理解本发明，以下将结合附图说明阐述本发明的具体实施方式。

附图说明

图1是本发明视频加密摄像机的结构框图。

图2是对比度拉伸变换函数的函数示意图。

图3是Lorenz混沌系统加密算法流程图。

具体实施方式

实施例1

请参阅图1，其是本发明视频加密摄像机的结构框图。该视频加密摄像机100包括视频采集模块110、视频预处理及加密模块120、视频存储模块130以及视频传输模块140。该视频采集模块110完成视频采集，并将视频数据传送至视频预处理及加密模块120。由于拍摄的视频会受到各种条件的限制和干扰，如光线不均、线路传送所产生的噪声污染等影响到视频的清晰度和视频质量，因此视频预处理及加密模块120首先对视频数据进行预处理以改善其视频质量；然后再对视频数据进行加密。经过视频预处理及加密模块120加密后的视频数据将实时地存储在视频存储模块130中。视频传输模块140主要完成基于TCP/IP协议的网络通信，经过视频预处理及加密模块120加密后的视频数据可通过视频传输模块140实时地传送至客户端。

具体的，所述视频采集模块110包括镜头和图像采集电路。所述图像采集电路包括CCD传感器和A/D转换器，外界物体通过镜头在CCD传感器上成像，当视频采集模块110接收到采集指令后，CCD传感器通过A/D转换器将光学图像转换成数字图像信息，然后输送至视频预处理及加密模块120。

所述视频预处理及加密模块120具体由DSP芯片(数字信号处理芯片)组成，其是该视频加密摄像机100的核心部分，用以处理来自视频采集模块110的图像数据，完成图像增强及加密功能。

所述视频存储模块130包括SDRAM(同步动态随机存储器)、FLASH ROM(闪存)、SD存储卡(安全数字存储卡)和大容量硬盘。其中，SDRAM主要存储摄像机内置的操作系统、内置程序、内核数据、图像数据等；FLASH ROM主要存储开发人员开发的程序或者文档，本发明的FLASH ROM中存储有多个混沌加密系统，包括Lorenz(洛伦兹)混沌加密系统、Logistic(罗杰斯蒂)混沌加密系统、Liu(刘氏)混沌加密系统和二维猫映射混沌加密系统等；SD存储卡为一扩展卡，FLASH ROM产生的一些重要文档或者程序可选择转存至该SD存储卡中；大容量硬盘用以存储经过处理和加密后的视频数据。

所述视频传输模块140包括有VGA(Video Graphics Array)接口、I/O接口和以太网通信装置，使得视频数据可以通过多种传输方式输出至远程客户端。

以下具体说明该视频加密摄像机100的工作过程：

S1：启动该视频加密摄像机100；

S2：视频采集模块110接收到采集指令后，CCD传感器通过A/D转换器将光学图像转换成数字图像信息，然后输送至视频预处理及加密模块120；

S3：该视频预处理及加密模块120对视频图像进行视频增强和加密处理；

S4：加密后的视频图像被存储至大容量硬盘中。

加密后的视频图像无法被查阅或纂改。只有合法用户通过对应的解密程序解密后才能观看到原始视频。

该视频预处理及加密模块120的预处理算法具体为：采用分段线性变化法，即将视频图像灰度区间分成两段或多段，然后对每一段分别做线性变换。本实施例中采用对比度拉伸的分段线性变化法，以提高处理时灰度级的动态范围。请参阅图2，其是对比度拉伸变换函数的函数示意图。对比度拉伸的函数表达式为：

$f\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}{y}_1\&CenterDot;x/x_1& x<x_1\\ (y_2-y_1)\left({x-x}_1\right)/(x_2-x_1)+y_1& x_1\&le;x\&le;x_2\\ (255-y_2)\left({x-x}_2\right)/(255-x_2)+y_2& x>x_2\end{array}\right.$

式中：(x₁，y₁)和(x₂，y₂)是图2中两个转折点坐标。

上述对比度拉伸变换函数的运算结果是将原图在x₁和x₂之间的灰度拉伸到y₁和y₂之间。通过有选择的拉伸某段灰度区间，能够灵活地控制图像灰度直方图的分布，以改善输出图像的质量。

该视频预处理及加密模块120对图像进行预处理之后，根据操作人员的指令调用存储在FLASH ROM中的一个指定混沌加密系统对图像数据进行加密。在本实施例中，以调用Lorenz混沌系统加密的算法为例，说明该视频预处理及加密模块120对图像数据进行加密的过程。

Lorenz系统的动力方程为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{dx}/\mathrm{dt}=-u(x-y)\\ \mathrm{dy}/\mathrm{dt}=-\mathrm{xz}+\mathrm{rz}-y\\ \mathrm{dz}/\mathrm{dt}=\mathrm{xy}-\mathrm{bz}\end{array}\right.$

式中u，r，b为系统参数，典型值取u＝10，r＝28，b＝8/3。在保持u，b不变，r＞24.74时系统进入混沌状态。这里三维Lorenz系统需要数值积分法来生成混沌序列，在本实施例中选择了欧拉法。该方法要求的计算量不高但又能达到置乱的效果。运用欧拉法将方程化为差分方程：定义x、y、z为双精度型，选取密钥初值x(0)＝0.6，y(0)＝0.4，z(0)＝0.6。在给定初值的情况下，运用下面三个方程产生混沌系列：

$\left\{\begin{array}{c}x(i+1)=x\left(i\right)+h*u*(y\left(i\right)-x)\\ y(i+1)=y\left(i\right)+h*(-x\left(i\right)*z\left(i\right)+r*x\left(i\right)-y\left(i\right))\\ z(i+1)=z\left(i\right)+h*(x\left(i\right)*y\left(i\right)-b*z\left(i\right))\end{array}\right.$

方程参数值选取h＝0.001，u＝10，r＝28，b＝8/3，该系统产生三条混沌序列x(i)，y(i)，z(i)，通过三条序列数交叉混合构成一条新的序列p(i)即：

p(i)＝{x(1)，y(1)，z(1)，x(2)，y(2)，z(2)...}。

如图3所示，将混沌序列p(i)与原始视频图像数据进行异或运算从而产生密文视频数据。

合法用户的解密算法是上述加密算法的逆过程。解密后恢复成原始视频数据可正常观看。

相对于现有技术，本发明的视频加密摄像机在采集视频数据以及对视频数据进行预处理的同时对视频数据进行加密，加密后的视频数据被存储在视频存储模块中，避免了原始视频数据遭到非法窃取或纂改的后果。此外，多个相异混沌加密系统存储在视频存储模块中供用户随机选择调用，避免了视频数据的单一加密而容易被破解，提高了加密效率以及视频数据的安全性。

实施例2

本实施例与实施例1具有同样的视频加密摄像机100结构，其区别仅在于本实施例中的视频预处理及加密模块120对图像进行预处理之后，根据操作人员的指令调用存储在FLASH ROM中的任意一个混沌加密系统对视频数据进行动态密钥混沌系统加密。动态密钥混沌系统加密的原理是：对每一帧的视频数据用不同的密钥进行加密，而该密钥也进行了混沌系统置乱。

本实施例采用Lorenz混沌系统动态密钥加密法。如实施例1所述，Lorenz系统动力方程为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{dx}/\mathrm{dt}=-u(x-y)\\ \mathrm{dy}/\mathrm{dt}=-\mathrm{xz}+\mathrm{rz}-y\\ \mathrm{dz}/\mathrm{dt}=\mathrm{xy}-\mathrm{bz}\end{array}\right.$

式中u，r，b为系统参数，典型值取u＝10，b＝8/3。在保持u，b不变，r＞24.74时系统进入混沌状态。如实施例1中所述，Lorenz混沌系统产生了三条混沌序列

H(i)，J(i)，K(i)，i＝1，2，3，4...m，

本系统视G(n)为动态初始密钥，它的选取是通过在以下确定的取值范围[0.6，1]内均匀取值。即：

设G(0)＝0.6，那么

其中0.6＜G(n)≤1，n＝1，2，3，4…m

所以G(n)，n＝1，2，3，4…m是个从小到大排序的序列。接着再次利用Lorenz混沌系统对该序列进行顺序置乱，实现原理如下：

任意选取Lorenz混沌系统产生的三条混沌序列中的一条序列，如取H(i)，i＝1，2，3，4…m序列，然后编程使得G(n)，n＝1，2，3，4…m的排列次序大小和H(i)，i＝1，2，3，4…m序列排列次序大小一致，这样G(n)，n＝1，2，3，4…m序列就变成一条新序列

U(n)，n＝1，2，3，4…m，

使得动态初始密钥具有混沌特性，变得更加不可预测。

这个新序列U(n)，n＝1，2，3，4…m作为Lorenz混沌系统的不同密钥初值，通过Lorenz混沌系统计算后形成新的序列P₁(i)，P₂(i)......P_m(i)，

即当动态初始密钥为U(1)时，通过洛伦兹动力方程形成新的序列P₁(i)，以此类推，当初始密钥为U(2)，U(3)......U(m)时，通过洛伦兹动力方程形成新的序列

P₂(i)，P₃(i)......P_m(i)。

然后这些新序列分别与每一帧的视频数据进行异或运算，形成加密视频数据。

该动态初始密钥的应用使得破译将会更加复杂。

与实施例1相比，采用动态初始密钥的混沌系统较静态密钥的混沌系统更加复杂，破译难度增加，保密性更强。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (10)

1.一种视频加密摄像机，其特征在于：包括视频采集模块、视频预处理及加密模块、视频存储模块，所述视频采集模块完成视频采集后将视频数据传送至视频预处理及加密模块，视频预处理及加密模块对每一帧视频数据进行预处理，然后再调用视频存储模块中的混沌加密系统进行计算产生混沌序列，接着将混沌序列与每一帧视频数据进行异或运算从而对视频数据进行加密，加密后的视频数据实时地存储至视频存储模块中。

2.根据权利要求1所述的视频加密摄像机，其特征在于：所述视频存储模块中存储有至少二个相异的混沌加密系统，视频预处理及加密模块根据用户指令调用指定的混沌加密系统对视频数据进行加密。

3.根据权利要求1或2所述的视频加密摄像机，其特征在于：所述视频预处理及加密模块为DSP芯片。

4.根据权利要求1或2所述的视频加密摄像机，其特征在于：所述视频采集模块包括镜头、CCD传感器和A/D转换器，外界物体通过镜头在CCD传感器上成像，CCD传感器通过A/D转换器将光学图像转换成数字图像信息，然后输送至视频预处理及加密模块。

5.根据权利要求2所述的视频加密摄像机，其特征在于：所述视频存储模块包括SDRAM、FLASH ROM、SD存储卡和大容量硬盘，其中，FLASH ROM中存储有多个混沌加密系统，包括Lorenz混沌加密系统、Logistic混沌加密系统、Liu混沌加密系统和二维猫映射混沌加密系统，大容量硬盘用以存储经过处理和加密后的视频数据。

6.一种视频加密摄像机的加密方法，其特征在于包括如下步骤：

S1：视频采集模块完成视频采集后将视频数据传送至视频预处理及加密模块；

S2：视频预处理及加密模块对每一帧视频数据进行预处理，然后再调用视频存储模块中的混沌加密系统进行计算产生混沌序列，接着将混沌序列与每一帧视频数据进行异或运算从而对视频数据进行加密；

S3：加密后的视频数据实时地存储至视频存储模块中。

7.根据权利要求6所述的加密方法，其特征在于：所述视频存储模块中存储有至少二个相异的混沌加密系统，视频预处理及加密模块根据用户指令调用指定的混沌加密系统对视频数据进行加密。

8.根据权利要求7所述的加密方法，其特征在于：所述视频存储模块中存储的混沌加密系统包括Lorenz混沌加密系统、Logistic混沌加密系统、Liu混沌加密系统和二维猫映射混沌加密系统。

9.根据权利要求8所述的加密方法，其特征在于：所述视频预处理及加密模块调用视频存储模块中的Lorenz混沌加密系统对视频数据进行加密，所述加密算法是：

运用Lorenz系统的动力方程

式中u，r，b为系统参数，典型值取u＝10，r＝28，b＝8/3，在保持u，b不变，r＞24.74时系统进入混沌状态；

运用欧拉法将方程化为差分方程：定义x、y、z为双精度型，选取密钥初值x(0)＝0.6，y(0)＝0.4，z(0)＝0.6，运用下面三个方程产生混沌系列：

$\left\{\begin{array}{c}x(i+1)=x\left(i\right)+h*u*(y\left(i\right)-x)\\ y(i+1)=y\left(i\right)+h*(-x\left(i\right)*z\left(i\right)+r*x\left(i\right)-y\left(i\right))\\ z(i+1)=z\left(i\right)+h*(x\left(i\right)*y\left(i\right)-b*z\left(i\right))\end{array}\right.$

方程参数值选取h＝0.001，u＝10，r＝28，b＝8/3，该系统产生三条混沌序列数x(i)，y(i)，z(i)，通过将该三条混沌序列数交叉混合构成一条新的序列p(i)，即

p(i)＝{x(1)，y(1)，z(1)，x(2)，y(2)，z(2)...}

将混沌序列p(i)与原始视频图像数据进行异或运算从而产生加密视频数据。

10.根据权利要求8所述的加密方法，其特征在于：所述视频预处理及加密模块调用视频存储模块中的Lorenz混沌加密系统对视频数据进行动态密钥加密，所述加密算法是：

运用Lorenz系统动力方程

式中u，r，b为系统参数，典型值取u＝10，b＝8/3，在保持u，b不变，r＞24.74时系统进入混沌状态，

Lorenz混沌系统产生三条混沌序列H(i)，J(i)，K(i)，i＝1，2，3，4...m；

本系统视G(n)为动态初始密钥，它的选取是通过在以下确定的取值范围[0.6，1]内均匀取值，即：

设G(0)＝0.6，则其中0.6＜G(n)≤1，n＝1，2，3，4…m

接着再次利用Lorenz混沌系统对该序列G(n)进行顺序置乱，实现原理为：

任意选取Lorenz混沌系统产生的三条混沌序列H(i)，J(i)，K(i)，i＝1，2，3，4...m中的一条序列，如取H(i)，i＝1，2，3，4…m序列，编程使得G(n)，n＝1，2，3，4…m的排列次序大小和H(i)，i＝1，2，3，4…m序列排列次序大小一致，则G(n)，n＝1，2，3，4…m序列就变成一条与H(i)，i＝1，2，3，4…m序列排列次序大小一致的新序列U(n)，n＝1，2，3，4…m，

该新序列U(n)，n＝1，2，3，4…m作为Lorenz混沌系统的不同密钥初值，Lorenz混沌系统计算后形成新的序列P₁(i)，P₂(i)......P_m(i)，

然后将所述新序列P₁(i)，P₂(i)......P_m(i)分别与每一帧的视频数据进行异或运算，形成加密视频数据。

Images