CN104320241A - 基于整数域混沌的视频保密通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于整数域混沌的视频混沌保密通信方法，包括以下步骤：建立6维整数域离散时间混沌系统；将三个变量迭代后，通过数字信息加密器转换为二进制的数字信息；发送端的信息加密运算；将上述的红绿蓝三路视频信号的密文值由发送端通过信道传送给接收端；接收端的信息解密。由于采用整数域混沌系统实现视频的实时加密和解密，从而解决视频数据运算量大和算法复杂的问题；由于采用级联闭环原理，发送端系统与接收端系统具有完全相同的驱动信号，能实现严格的同步而不受有用信息大小调剂的影响，在发送端与接收端参数匹配的情况下，解密出来的信息具有很高的还原度。

Description

基于整数域混沌的视频保密通信方法

技术领域

本发明涉及一种视频混沌加密和解密方法，具体是一种基于整数域混沌的视频保密通信方法。 

背景技术

当混沌运动是有害的时候，混沌控制被认为是通过某些控制手段削弱或消除系统的混沌行为。然而，并不是所有的混沌行为都是有害的。自从1990的OGY方法被提出之后，混沌控制成为了研究的热点。最近的研究显示，在某些特定的环境下，混沌运动也是有用处的。例如，基于混沌的语音，图像，视频或其他多媒体数据的加密和解密等。因此，近年来系统混沌化的研究(将原本非混沌的动力系统变为混沌系统，或增强现有的混沌方式)吸引了很多学者的注意。 

近年在信息安全领域中，无论是传统基于代数还是基于混沌的图像视频加密技术都吸引了很多学者的关注。众所周知，混乱的独特性质，例如正Lyapunov指数，遍历性，准随机性，对初始条件和系统参数敏感的依赖性，令混沌动力学成为一个可以替代传统加密算法的优良算法。更重要的是，不同于主要基于离散数学的常规密码算法，混沌是一个简单的确定性系统，并且基于混沌的密码技术是依赖于一个非线性系统或映射。在多媒体通过高速信道传输数据的时候，信息的高速传输和安全性能显得尤其重要。而混沌密码技术正好为数据保护提供了一种快速安全的加密方法。正因如此，近年来，越来越多的人投入到了图像和视频的混沌保密通信研究中。 

众所周知，实时的视频混沌保密通信与静止的图像或语音信号混沌保密通信在硬件实现方面相比较而言，主要困难之处在于需要同时解决实时性要求较高并且数据运算量较大这两个主要问题，因而视频混沌加密和解密的硬件实现难度较大。为了解决硬件实现中的这两个问题，一方面，我们采用了面向最基本的逻辑单元或门电路操作的非嵌入方法，从而能够满足视频混沌保密通信对实时性的要求。另一方面，用硬件描述语言处理整数运算要比处理实数运算的速度快、算法简单并且便于硬件实现。而现有的离散或连续时间混沌系统都是基于实数域运算的，故存在视频数据运算量大和算法复杂，从而出现运算速度较慢的缺陷。 

发明内容

为解决上述不足，本发明提供一种运算速度快且解密准确度高的基于整数域混沌的视频保密通信方法。 

基于整数域混沌的视频保密通信方法，包括以下步骤： 

A.建立一个6维整数域离散时间混沌系统，动力学方程如下： 

式中k＝1,2,…,M,…为迭代次数，(i＝1,2,…,6)表示对变量x_i(k)和x_i(k+1)向下取整；ε₁＝2²⁴,σ₁＝2.3×10⁸，ε₂＝2²⁵,σ₂＝3.2×10⁸，ε₃＝2²⁶,σ₃＝5.0×10⁸；式中参数Φ_ij(i,j＝1,2,3,4,5,6)的大小为 

B.随着k的增加，利用上述建立的6维整数域离散时间混沌系统，选取x₁(k),x₂(k),x₃(k)，将发送端的信息加密器的三个变量x₁(k),x₂(k),x₃(k)定义为 6维整数域离散时间混沌系统中的其它参数与其类同；将接收端的信息解密器的三个变量x₁(k),x₂(k),x₃(k)分别定义为6维整数域离散时间混沌系统中的其它参数与其类同，将三个变量迭代后，通过数字信息加密器转换为二进制的数字信息； 

C.发送端的信息加密运算：对采集视频的红绿蓝三基色分别进行按位异或操作，得到红绿蓝三路视频信号的密文值: 

其中表示红绿蓝的像素值，16表示一个像素点红绿蓝分别所占的位数为4位； 

D.将上述的红绿蓝三路视频信号的密文值由发送端通过信道传送给接收端； 

E.接收端的信息解密：利用整数域混沌加密的逆运算对接收到的红绿蓝三路视频信号的密文值进行解密操作。 

进一步地，所述步骤D中，所述发送端中，将红绿蓝三路视频信号的密文值p₁(k),p₂(k),p₃(k)作为反馈控制变量作用到数字信息加密器的六维驱动系统的方程上，得到数字信息加密器的六维驱动系统的状态方程如下： 

同理，对于数字信息解密器作为数据接收端而言，将红绿蓝三路视频信号的密文值p₁(k),p₂(k),p₃(k)作为反馈控制变量作用到接收端的数字信息解密器的六维响应系统的方程上，得到如下数字信息解密器的六维响应系统的状态方程如下： 

接收端解密后的信号为 

当发送端与接收端的参数匹配时，两个整数域混沌系统实现同步，满足以下各个条件：得  根据上式，得 $\hat{R}\left(k\right)=R\left(k\right),\hat{G}\left(k\right)=G\left(k\right),\hat{B}\left(k\right)=B\left(k\right),$ 在接收端，正确地解密出原视频图像。 

进一步地，所述步骤A中，6维整数域离散时间混沌系统的建立方法如下： 

1.建立六维离散混沌系统动力学方程： 

${\left(\begin{array}{c}{x}_1(k+1)\\ x_2(k+1)\\ x_3(k+1)\\ x_4(k+1)\\ x_5(k+1)\\ x_6(k+1)\end{array}\right)}_{6\×1}={\left(\begin{array}{cccccc}0.22& -0.28& 0.12& -0.28& 0.42& -0.18\\ -0.2& -0.1& 0.2& -0.2& 0.5& -0.1\\ -0.04& -0.44& 0.26& -0.04& 0.46& -0.14\\ 0.04& -0.36& 0.04& -0.06& 0.54& -0.06\\ -0.02& -0.42& 0.18& -0.22& 0.38& 0.18\\ 0.1& -0.3& 0.3& -0.1& 0.3& -0.1\end{array}\right)}_{6\×6}{\left(\begin{array}{c}{x}_1\left(k\right)\\ x_2\left(k\right)\\ x_3\left(k\right)\\ x_4\left(k\right)\\ x_5\left(k\right)\\ x_6\left(k\right)\end{array}\right)}_{6\×1}+{\left(\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0\\ \mathrm{mod}({\mathrm{\σ}}_1{x}_2,{\mathrm{\ϵ}}_1)+\mathrm{mod}({\mathrm{\σ}}_2{x}_2,{\mathrm{\ϵ}}_2)+\mathrm{mod}({\mathrm{\σ}}_3{x}_3,{\mathrm{\ϵ}}_3)\\ \mathrm{mod}({\mathrm{\σ}}_2{x}_2,{\mathrm{\ϵ}}_2)+\mathrm{mod}({\mathrm{\σ}}_3{x}_3,{\mathrm{\ϵ}}_3)\\ \mathrm{mod}({\mathrm{\σ}}_3{x}_3,{\mathrm{\ϵ}}_3)\end{array}\right)}_{6\×1}$

其中， $\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\ϵ}}_1=2^{24},& {\mathrm{\σ}}_1=2.3\×{10}^8\\ {\mathrm{\ϵ}}_2=2^{25},& {\mathrm{\σ}}_2=3.2\×{10}^8\\ {\mathrm{\ϵ}}_3=2^{26},& {\mathrm{\σ}}_3=5.0\×{10}^8\end{array}\right.;$

2.对上述六维离散混沌动力学方程中A矩阵进行三步变换处理，即乘以2ⁿ、四舍五入取整和除以2ⁿ，其中n表示移位的位数，其大小可根据精度要求而定，选取n＝8，得变换处理后的矩阵为 

其中round[·]为进行四舍五入处理，从变换后的矩阵得所有元素均正整数的变换矩阵为 

3.用步骤2中的矩阵Ψ替代离散混沌动力学方程中的矩阵A，并对模函数进行2⁸倍的扩张变换，最后对所有变量进行2⁸倍的压缩变换和整数化处理后，得整数域混沌系统为 

式中k＝1,2,…,M,…为迭代次数，(i＝1,2,…,6)表示对变量x_i(k)和x_i(k+1)向下取整。 

所述步骤D中，对红绿蓝三路视频信号的密文值的传送方式为：加密传送传输视频中的一个像素信息，传送一个像素信息。 

本发明的有益效果：由于采用整数域混沌系统实现视频的实时加密和解密，从而解决视频数据运算量大和算法复杂的问题；由于采用级联闭环原理，在发送端将红绿蓝三路视频信号的密文值作为反馈控制变量作用到接收端的数字信息解密器的六维响应系统的方程上，使发送端的驱动系统与接收端的响应系统具有完全相同的驱动信号，从而能实现驱动系统与响应系统严格的同步，而不受有用信息大小调剂的影响，在发送端与接收端参数匹配的情况下，解密出来的信息具有很高的还原度。 

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明： 

图1为六维整数域混沌系统产生的x₁(k)-x₂(k)的相图； 

图2为基于整数域混沌的视频混沌保密通讯系统的设计原理框图； 

图3为发送端硬件系统的设计流程图； 

图4为接收端硬件系统的设计流程图； 

图5为基于整数域混沌的视频保密通信系统的组成框图。 

具体实施方式

基于整数域混沌的视频保密通信方法，包括以下步骤： 

A.建立六维离散混沌系统动力学方程： 

${\left(\begin{array}{c}{x}_1(k+1)\\ x_2(k+1)\\ x_3(k+1)\\ x_4(k+1)\\ x_5(k+1)\\ x_6(k+1)\end{array}\right)}_{6\×1}={\left(\begin{array}{cccccc}0.22& -0.28& 0.12& -0.28& 0.42& -0.18\\ -0.2& -0.1& 0.2& -0.2& 0.5& -0.1\\ -0.04& -0.44& 0.26& -0.04& 0.46& -0.14\\ 0.04& -0.36& 0.04& -0.06& 0.54& -0.06\\ -0.02& -0.42& 0.18& -0.22& 0.38& 0.18\\ 0.1& -0.3& 0.3& -0.1& 0.3& -0.1\end{array}\right)}_{6\×6}{\left(\begin{array}{c}{x}_1\left(k\right)\\ x_2\left(k\right)\\ x_3\left(k\right)\\ x_4\left(k\right)\\ x_5\left(k\right)\\ x_6\left(k\right)\end{array}\right)}_{6\×1}+{\left(\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0\\ \mathrm{mod}({\mathrm{\σ}}_1{x}_2,{\mathrm{\ϵ}}_1)+\mathrm{mod}({\mathrm{\σ}}_2{x}_2,{\mathrm{\ϵ}}_2)+\mathrm{mod}({\mathrm{\σ}}_3{x}_3,{\mathrm{\ϵ}}_3)\\ \mathrm{mod}({\mathrm{\σ}}_2{x}_2,{\mathrm{\ϵ}}_2)+\mathrm{mod}({\mathrm{\σ}}_3{x}_3,{\mathrm{\ϵ}}_3)\\ \mathrm{mod}({\mathrm{\σ}}_3{x}_3,{\mathrm{\ϵ}}_3)\end{array}\right)}_{6\×1}$

其中， $\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\ϵ}}_1=2^{24},& {\mathrm{\σ}}_1=2.3\×{10}^8\\ {\mathrm{\ϵ}}_2=2^{25},& {\mathrm{\σ}}_2=3.2\×{10}^8\\ {\mathrm{\ϵ}}_3=2^{26},& {\mathrm{\σ}}_3=5.0\×{10}^8\end{array}\right.;$

B.对上述六维离散混沌动力学方程中A矩阵进行三步变换处理，即乘以2ⁿ、四舍五入取整和除以2ⁿ，其中n表示移位的位数，其大小可根据精度要求而定。选取n＝8，得变换处理后的矩阵为 

其中round[·]为进行四舍五入处理。从变换后的矩阵得所有元素均正整数的变换矩阵为 

C.用步骤B中的矩阵Ψ替代离散混沌动力学方程中的矩阵A，并对模函数 进行2⁸倍的扩张变换，最后对所有变量进行2⁸倍的压缩变换和整数化处理后，得整数域混沌系统为 

式中k＝1,2,…,M,…为迭代次数，(i＝1,2,…,6)表示对变量x_i(k)和x_i(k+1)向下取整。 

D.利用上述的六维离散混沌系统动力学方程，选取x₁(k),x₂(k),x₃(k)(为了能将信息加密器的三个变量与数字信息解密器的三个变量区分开，将信息加密器的x₁(k),x₂(k),x₃(k)三个变量定义为七维离散混沌系统动力学方程中的其它参数与其类同；将信息解密器的x₁(k),x₂(k),x₃(k)三个变量定义为 六维离散混沌系统动力学方程中的其它参数与其类同)，三个变量迭代后产生的实数混沌序列取整后，通过数字信息加密器转换为二进制的数字信息； 

E.加密运算：利用按位异或运算在接收端得到红绿蓝三路视频信号的密文值 对采集视频的红绿蓝三基色分别进行按位异或操作，其中表示红绿蓝的像素值，16表示一个像素点红绿蓝分别所占的位数为4位。将p₁(k),p₂(k),p₃(k)作为反馈控制变量作用到数字信息加密器的六维驱动系统的方程上,如图2左半部分所示，分别替代发送端的整数域混沌系统中由上往下数起的第4～6方程中的得到数字信息加密器的六维驱动系统状态方程如下： 

同理，对于数字信息解密器作为数据接收端而言，将p₁(k),p₂(k),p₃(k)作为反馈控制变量作用到数字信息解密器的六维响应系统的方程上如图2右半部分所示，得到如下数字信息解密器的六维响应系统状态方程： 

F.信息加密传送：如图3所示，具体的加密传送过程为每加密一个像素，发送一像素的视频数据。本例的传输信道采用12根数据线进行视频数据的并行传输，另外还有两根信号线用于发送端和接收端的数据同步。因此，在每加密完一个像素的视频数据之后(红绿蓝均为4位的数据)，将其发送到接收端开发板。在一个像素的加密和发送操作完成之后，发出一个完成信号给接收端，令接收端回到等待状态。如此不断循环步骤F。 

G.在接收端开发板，利用整数域混沌加密的逆运算对接收到的加密视频数据进行解密操作，具体如图4所示：在发送端发送帧开始信号之后，接收端对地址寄存器进行清零。然后等待发送端发送完成信号，当接收到完成信号之后，先读出这个像素点的数据，然后对这个像素点进行解密操作，接着继续等待下一个完成信号的到来。同理，接收端也有一个计数器用于计算是否完成一帧数据的读取，当完成一帧数据的读取之后，继续等待下一个帧开始信号的到来。同样地， 接收端也不断地循环步骤G以解密由发送端发来的加密视频数据。 

H.显示：发送端和接收端分别将采集的原视频数据，加密视频数据，解密视频数据存储到各自开发板上的缓存器中，并且由VGA显示模块从相对应的缓存器中取出视频数据并显示到VGA显示器上。 

上述的实施例子，对视频采集红绿蓝三原色的整数域混沌加密解密的硬件配置：用两块XUP Virtex-Ⅱ Pro的FPGA开发板作为数字信息的加密器和解密器，两块开发板之间采用信号线连接，作为双方通讯的基础。发送端的FPGA开发板主要负责视频数据的采集和数据的加密，并且将加密后的视频数据发送到接收端，同时将采集的原视频和加密视频显示在显示器上。接收端的FPGA开发板负责接收发送端FPGA发过来的加密视频数据，并将其解密，同时将传输过来的加密视频和解密后的视频显示在显示器上，整个硬件系统的原理框图如图5所示。 

对基于整数域混沌的视频保密通信，采用了六维混沌系统，以该系统生成的加密混沌序列有以下优点：一是采用整数域混沌保密通信的方法，整个过程均为整数运算，相对实数运算加密的实时性更好，更加节省硬件资源，而且便于硬件的实现。二是系统结构较一般的低维系统复杂，系统变量的整数序列更不可预测；六维混沌系统一共有五个吸引子相图，这里以x₁(k)-x₂(k)相图为例，如图1所示。从图可直观看出，点的分布较为集中，为全局有界。二是该系统实现自同步，即使在驱动和响应系统初始值不一样的时候也能正确的解密，这就说明了在数据有部分传输错误的时候，将不影响效果，加密算法的密钥空间将大大高于低维混沌系统。 

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的保护范围。 

Claims (4)

1.基于整数域混沌的视频保密通信方法，其特征在于：包括以下步骤： 

A.建立一个6维整数域离散时间混沌系统，动力学方程如下： 

式中k＝1,2,…,M,…为迭代次数，表示对变量x_i(k)和x_i(k+1)向下取整；ε₁＝2²⁴,σ₁＝2.3×10⁸，ε₂＝2²⁵,σ₂＝3.2×10⁸，ε₃＝2²⁶,σ₃＝5.0×10⁸；式中参数Φ_ij(i,j＝1,2,3,4,5,6)的大小为 

B.随着k的增加，利用上述建立的6维整数域离散时间混沌系统，选取x₁(k),x₂(k),x₃(k)，将发送端的信息加密器的三个变量x₁(k),x₂(k),x₃(k)定义为 6维整数域离散时间混沌系统中的其它参数与其类同；将接收端的信息解密器的三个变量x₁(k),x₂(k),x₃(k)分别定义为6维整数域离散时间混沌系统中的其它参数与其类同，将三个变量迭代后，通过数字信息加密器转换为二进制的数字信息； 

C.发送端的信息加密运算：对采集视频的红绿蓝三基色分别进行按位异或操作，得到红绿蓝三路视频信号的密文值: 

其中表示红绿蓝的像素值，16表示一个像素点红绿蓝分别所占的位数为4位； 

D.将上述的红绿蓝三路视频信号的密文值由发送端通过信道传送给接收端； 

E.接收端的信息解密：利用整数域混沌加密的逆运算对接收到的红绿蓝三路视频信号的密文值进行解密操作。 

2.根据权利要求1所述的基于整数域混沌的视频保密通信方法，其特征在于：所述步骤D中，所述发送端中，将红绿蓝三路视频信号的密文值p₁(k),p₂(k),p₃(k)作为反馈控制变量作用到数字信息加密器的六维驱动系统的方程上，得到数字信息加密器的六维驱动系统的状态方程如下： 

同理，对于数字信息解密器作为数据接收端而言，将红绿蓝三路视频信号的密文值p₁(k),p₂(k),p₃(k)作为反馈控制变量作用到接收端的数字信息解密器的六维响应系统的方程上，得到如下数字信息解密器的六维响应系统的状态方程如下： 

接收端解密后的信号为 

当发送端与接收端的参数匹配时，两个整数域混沌系统实现同步，满足以下各个条件： 

得 根据上式，得 在接收端，正确地解密出原视频图像。 

3.根据权利要求1或2所述的基于整数域混沌的视频保密通信方法，其特征在于： 

A.建立六维离散混沌系统动力学方程： 

其中，

B.对上述六维离散混沌动力学方程中A矩阵进行三步变换处理，即乘以2ⁿ、四舍五入取整和除以2ⁿ，其中n表示移位的位数，其大小可根据精度要求而定。选取n＝8，得变换处理后的矩阵为 

其中round[·]为进行四舍五入处理。从变换后的矩阵得所有元素均正整数的变换矩阵为 

C.用步骤B中的矩阵Ψ替代离散混沌动力学方程中的矩阵A，并对模函数进行2⁸倍的扩张变换，最后对所有变量进行2⁸倍的压缩变换和整数化处理后，得 整数域混沌系统为 

其中floor[·]表示向下取整，即 

式中k＝1,2,…,M,…为迭代次数，表示对变量x_i(k)和x_i(k+1)向下取整。 

4.根据权利要求3所述的基于整数域混沌的视频保密通信方法，其特征在于：所述步骤D中，对红绿蓝三路视频信号的密文值的传送方式为：加密传送传输视频中的一个像素信息，传送一个像素信息。