CN108418673A - 一种基于超混沌的网络视频加密传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超混沌的网络视频加密传输方法，属于视频加密技术领域，包括以下步骤：S1：摄像头采集视频信息；S2：发送端输入加密密钥；S3：对视频数据进行超混沌加密；S4：加密后的视频数据通过以太网传输；S5：接收端接收加密后的数据并输入解密密钥；S6：接收端显示解密后的视频。本发明以Qi超混沌系统产生的伪随机序列为基础，采用FPGA硬件方式实现网络视频的加密传输，加密后的视频传输流畅，占用资源少，加密耗用时间短，加密效果良好。
Description
技术领域
本发明涉及视频加密的技术领域，尤其涉及到一种基于超混沌的网络视频加密传输方法。
背景技术
随着互联网和多媒体技术的发展，网络视频的使用随处可见，因而视频信息的安全也变得尤为重要，尤其是在一些特殊的场合，比如视频会议、安防监控、数字视频相关业务等，对于数据有较高的安全需求，这就要求对采集的视频数据进行加密处理。
以混沌为基础的加密是近20年来新兴的一种加密方式，但目前现有的混沌加密中多存在运用的混沌系统较为简单，且多存于理论验证阶段，具体的实现方式较少，在对视频加密时运算速度较慢，难以满足视频的实时性要求。而超混沌系统较一般的混沌系统具有更强的随机性和不可预测性，因此也更适用于混沌加密技术。而FPGA具有灵活、并行运算速度快、存储量大，在线可重构等突出特点，在视频图像处理领域具有独到的优势。故本发明在前人的理论基础上利用FPGA这种硬件处理方式来完成一种基于超混沌的网络视频加密传输方法，该方法不仅能够满足视频的实时性要求，还能对视频做出有效的加密，保证视频信息的安全性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于超混沌的网络视频加密传输方法，解决以往对混沌视频加密技术中混沌系统简单以及视频加密的安全性不足等问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种基于超混沌的网络视频加密传输方法，如图1所示，包括如下步骤：
S1：摄像头采集视频信息：利用OV5640摄像头采集有效的视频信息。
S2：发送端输入加密密钥：利用UART串口通信协议，使FPGA与摄像头进行通信，在通信上位机界面将加密的密钥发送到FPGA上。
S3：对视频数据进行超混沌加密：通过FPGA接收的密钥来赋予超混沌系统初值，使Qi超混沌系统产生有效的伪随机序列，利用伪随机序列与摄像头采集的视频信息进行超混沌加密。
S4：加密后的视频数据通过以太网传输：将加密后的数据通过以太网进行传输，其中以太网利用的是UDP/IP协议，该协议可以快速地将视频数据进行传输。
S5：接收端接收加密后的数据并输入解密密钥：接收端接收到视频数据后先进行缓存，再由网络串口的上位机界面输入解密密钥，最终将加密的视频数据还原为原始视频数据。
S6：接收端显示解密后的视频：将解密的视频数据与接收端的显示上位机连接，连接方式是通过输入发送端的以太网IP地址，点击上位机上的连接按钮。连接成功后视频数据正常显示在计算机上。
进一步的，所述步骤S3中，超混沌系统具体是指Qi超混沌系统，
所述的Qi超混沌系统方程用式(1)表示：
式中a，b，c，d，e，f是系统方程的控制参数，x1，x2，x3，x4是系统方程的状态变量。
当取参数49≤a≤55，20≤b≤24，c＝13，d＝8，e＝33，f＝30时，系统有两个正的Lyapunov指数，此时系统是超混沌系统。
为了用FPGA实现Qi超混沌系统生成伪随机序列，我们采用Euler法对其进行离散化，经过离散化后的Qi超混沌系统会得到四个输出，将四个输出值合并后就会得到二进制的伪随机序列，如[00110101000111010....10010101110010101000111]。由Qi超混沌系统生成的伪随机序列同时通过了美国的NIST随机数15项标准测试，证明其具有很强的随机性和不可预测性，为我们的超混沌视频加密提供了前提条件。
进一步的，所述步骤S3中，超混沌加密的加密步骤具体是指：为了使用随机性更强的伪随机序列，我们首先舍弃了前200轮的随机序列。加密时再由前8位二进制密钥转换成一个10进制数，这个10进制数值将用于确定200轮之后的超混沌系统迭代的起始轮次，即从该迭代轮次开始产生的超混沌序列才为有效的伪随机序列(目的是为了让破解者难以发现我们具体使用的哪一轮迭代的伪随机序列，增加安全性)，然后有效的伪随机序列再与摄像头采集到的视频数据进行异或操作，接着进行数据的行移位操作，即将异或后的数据排列成4*4表格形式，第一行数据排序不变，后面各行依次左移一位。行移位后进行列混淆，同样将数据排列成4*4表格形式，最后一列不变，其他列依次向下移一位，由此完成了第一轮混淆。然后再重复进行两轮混淆操作，一共循环操作3次，最后再输出加密数据，从而使数据充分达到扩散和混淆的目的。
与现有技术相比，本发明有益效果是采用FPGA硬件方式实现网络视频的加密传输，加密后的视频传输流畅，占用资源少，加密耗用时间短，加密效果良好。
附图说明
图1是超混沌网络视频加密传输方法的流程图
图2是摄像头采集的原始视频图像
图3是经过超混沌加密后的视频图像
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述，但本发明的实施方式不限于此。
实验环境：本发明的实验采用的FPGA芯片是Intel(前Altera)公司的EP4CE30F23C8，该芯片包含28848个LE逻辑资源，329个外设I/O口，4个PLL时钟管理模块，采用Realtek千兆GPHY芯片RTL8211E来实现千兆以太网数据通信，以太网最高速率可达800Mbit/s。通过Verilog HDL语言实现在Quartus II 13.1平台上的模块化设计。
本发明是一种基于超混沌的网络视频加密传输方法，具体的实施流程如图1所示，具体如下：
S1：利用OV5640摄像头采集视频信息，其中摄像头首先通过SCCB协议与FPGA建立通信，然后再通过编程对摄像头进行配置，使其输出的视频帧的大小是800*600，图像模式为JPEG的压缩图像模式，这样可以减少数据量，便于视频的以太网传输。
S2：发送端用户在串口调试助手上位机上输入136位密钥，在实施例中我们输入的密钥以16进制显示，本实施例密钥为：2812345678123456781234567812345678，其中“28”是控制Qi超混沌生成有效伪随机序列的起始位置密钥，后面32个16进制的密钥是Qi超混沌系统状态变量的初始值。
S3：通过在FPGA开发板上预先编译程序，使Qi超混沌系统开始生成有效的伪随机序列。具体操作如下：
所述的Qi超混沌系统方程用式(1)表示：
式中x1，x2，x3，x4为超混沌方程的状态变量，a，b，c，d，e，f是超混沌方程的控制参数。
在本实施案例中，控制参数取a＝50，b＝21，c＝13，d＝8，e＝33，f＝30，
初始状态变量取x1＝12345678，x2＝12345678，x3＝12345678，x4＝12345678
被赋予具体数值的Qi超混沌系统开始输出有效的伪随机序列，然后与采集的视频数据进行超混沌加密。
S4：经过加密的视频数据通过以太网进行数据的传输，采用Realtek千兆GPHY芯片RTL8211E来实现千兆以太网数据通信，以太网的传输层协议为UDP协议，传输速度最高可达800Mbit/s。
S5：接收端的用户通过计算机收到以太网传输过来的视频数据，然后在网络串口上位机界面输入解密密钥“2812345678123456781234567812345678”，被加密的视频数据马上被解密为原来摄像头采集的视频画面。
S6：视频显示界面通过输入正确的IP地址，与以太网传输地址建立通信联系，正常显示被解密的视频画面。
本实施例中，采用的摄像头的像素为500万，视频显示采用了800*600的分辨率，JPEG数据格式，UDP协议的以太网进行数据传输，本实施例中摄像头采集的原始视频图像如图2所示，经过超混沌加密后的视频图像如图3所示。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形和修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (7)
1.一种基于超混沌的网络视频加密传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：摄像头采集视频信息；
S2：发送端输入加密密钥；
S3：对视频数据进行超混沌加密；
S4：加密后的视频数据通过以太网传输；
S5：接收端接收加密后的数据并输入解密密钥；
S6：接收端显示解密后的视频。
2.根据权利要求1所述的一种基于超混沌的网络视频加密传输方法，其特征在于，所述步骤S1中摄像头采集视频信息，具体是指：利用OV5640摄像头采集视频，FPGA通过SCCB协议与摄像头建立有效通信，配置摄像头采集的视频帧的大小为800*600，输出的视频图像模式为JPEG压缩模式。
3.根据权利要求1所述的一种基于超混沌的网络视频加密传输方法，其特征在于，所述步骤S2中发送端输入加密密钥，具体是指：发送端通过UART串口协议与FPGA建立有效通信，通过上位机界面将加密所需的密钥传送到FPGA上。其中加密密钥为Qi超混沌的4个初始值和决定Qi超混沌迭代起始轮次的数值，长度为136位的二进制数。
4.根据权利要求1所述的一种基于超混沌的网络视频加密传输方法，其特征在于，所述步骤S3中对视频数据进行超混沌加密，具体是指：所述的超混沌为Qi超混沌，Qi超混沌系统用式(1)表示：
式中a，b，c，d，e，f是为使得Qi超混沌系统具有超混沌行为的控制参数，x1，x2，x3，x4是超混沌系统的状态变量，用这4个状态变量作为加密的密钥。本发明的加密算法以Qi超混沌系统为基础，运用FPGA技术使Qi超混沌系统产生有效的伪随机序列，首先用所得到的超混沌伪随机序列与摄像头采集的视频数据进行异或操作，而后再经过行移位和列变换操作，完成第一轮的数据加密，接着再循环2次上面的操作，最终得到经过3轮超混沌加密的视频数据。
5.根据权利要求1所述的一种基于超混沌的网络视频加密传输方法，其特征在于，所述步骤S4中加密后的视频数据通过以太网传输，具体是指：经过加密的数据通过以太网通信协议发送给接收端，其中以太网传输协议采用的是UDP/IP协议，该协议是一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务，在数据传输过程中延迟小、数据传输效率高，多用于图像，网络监控数据交换等数据的传输。
6.根据权利要求1所述的一种基于超混沌的网络视频加密传输方法，其特征在于，所述步骤S5中接收端接收加密后的数据并输入解密密钥，具体是指：接收端收到加密后的数据先进行缓存，再通过网络串口协议从接收端的上位机界面输入解密密钥，最终将视频数据恢复为摄像头采集的原始视频数据。
7.根据权利要求1所述的一种基于超混沌的网络视频加密传输方法，其特征在于，所述步骤S6中接收端显示解密后的视频，具体是指：将解密的视频数据与接收端的显示上位机连接，连接方式是通过输入与发送端相同的以太网IP地址，点击上位机上的连接按钮。连接成功后视频数据正常显示在计算机上。
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