CN108924594B - 一种基于超混沌系统的视频加密方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于超混沌系统的视频加密方法，涉及图像处理及保密通信技术领域。该方法包括加密过程和解密过程；所述加密过程首先将混沌保密通信系统达到同步状态，驱动系统生成加密初始置乱序列和加密初始置乱矩阵，然后将视频明文数据分解为数据包并与加密初始置乱矩阵进行异或操作，得到初始密文数据，并将初始密文数据进行行置乱操作；最后将置乱后的数据进行加取模扩散操作，最终得到视频的密文数据。所述视频的解密过程为加密过程的逆过程。本发明提供的基于超混沌系统的视频加密方法，不需要特定的信道传输密钥，避免了密钥在传输过程中被窃取的风险；能够有效地克服低维混沌系统易受攻击的缺点，安全性更高且易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及图像处理及保密通信技术领域，尤其涉及一种基于超混沌系统的视频加密方法。
背景技术
随着网络技术的快速发展，以计算机为核心的信息化时代已经来临。在给人们带来生活便利的同时，也引起了一些信息安全问题。网络中的个人信息被窃取、修改和查看等事件时有发生，给国家和个人都带来了不必要的损失。因此信息安全在当今社会显得十分必要。
混沌信号具有初值敏感、隐蔽、不可预测、高度复杂和易于实现等特性，使得其特别适用于保密通信。利用混沌信号进行保密通信已经成为现在的热点研究问题。将混沌理论应用于通信领域主要有3大技术：混沌遮掩、混沌调制和混沌开关技术。
目前的研究主要是基于混沌序列的图像加密的一维和二维混沌系统，而且多数加密方法是在空域对像素进行置乱，其具有形式简单、产生混沌时序时间短等优点，但是其缺陷是秘钥空间小，随着对混沌加密技术的研究，对于低维度混度加密的方案，已经有了一些攻击方法可以将其破解，并且随着信息的爆炸式增长，图片所带的信息量已经满足不了需要，因此视频作为信息的载体更为重要。由于高维的混沌信号具有更好的随机性，因此，研究基于超混沌系统的视频加密方法更加重要。
同步问题一直也是一个热点问题，混沌同步的优点在于不需要特定的信道传输密钥，这避免了密钥在传输过程中被窃取的风险。但是，仅使用混沌同步的方法进行保密通信还是远远不够的，主要是因为仅利用混沌同步生成的混沌序列进行相关操作，原始数据的相关性不能得到大幅降低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于超混沌系统的视频加密方法，实现对视频的加密。
一种基于超混沌系统的视频加密方法，包括视频的加密过程和解密过程；
所述视频的加密过程包括以下步骤：
步骤1-1、将混沌保密通信系统的驱动系统和响应系统利用状态反馈控制器达到同步状态；
步骤1-2、驱动系统经过预处理生成加密初始置乱序列和加密初始置乱矩阵；
步骤1-3、将视频明文数据分解为以256字节为单位的数据包，每个数据包的数据与步骤 1-2生成的加密初始置乱矩阵进行异或操作，得到视频的初始密文数据；
步骤1-4、将初始密文数据进行行置乱操作，改变初始密文数据中各数据的排列位置，得到视频的置乱后的密文数据；
步骤1-5、将置乱后的数据进行加取模扩散操作，使数据之间产生尽可能多的相互影响，最终得到视频的密文数据；
所述视频的解密过程为加密过程的逆过程，包括以下步骤：
步骤2-1、在驱动系统与响应系统同步后，响应系统利用与驱动系统相同的预处理方法生成解密初始置乱序列和解密初始置乱矩阵；
步骤2-2、利用加取模的逆运算对步骤1-5生成的密文数据做逆扩散处理，得到与步骤 1-4中相同的置乱数据；
步骤2-3、利用逆置乱操作，将步骤2-2中得到的置乱数据进行逆置乱变换处理，恢复明文数据的相同位置；
步骤2-4、将已恢复初始位置的数据包中的数据与解密初始置乱序列进行异或操作，得到明文数据。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种基于超混沌系统的视频加密方法，不需要特定的信道传输密钥，避免了密钥在传输过程中被窃取的风险；同时，由于混沌保密通信系统的映射具有易生成、密钥空间大、周期长、安全性高、运行速度快等特点，能够有效地克服低维混沌系统易受攻击的缺点，安全性更高且易于实现。
附图说明
图1为本发明实施例提供的超Chen混沌系统的混沌特性的仿真结果图；
图2为本发明实施例提供的一种基于超混沌系统的视频加密方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的混沌保密通信系统的驱动系统和响应系统同步过程的结构框图；
图4为本发明实施例提供的混沌保密通信系统进行同步的仿真结果
图5为本发明实施例提供的混沌保密通信系统进行视频加密解密过程的流程图；
图6为本发明实施例提供的带有初值增量的混沌保密通信系统同步后的密钥变化图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例将超chen混沌系统作为混沌保密通信系统，使用本发明的基于超混沌系统的视频加密方法实现对视频的加密。
超chen混沌系统是一种四维混沌系统，以超chen混沌系统生成加密混沌序列的优点在于：一、其结构较低维度混沌系统复杂，产生的实数值序列更不可预测；二、系统的四个初始值和四个参数都可以生成加密混沌序列的种子密钥，产生的密钥空间大大高于低维度混沌系统；三、混沌系统的同步可以避免加密过程中密钥的传输，安全性更高。
超Chen混沌系统如下公式所示：
其中，(x1，x2，x3，x4)∈R为状态变量，a，b，c，d，k为超Chen混沌系统的参数；当a＝35，b＝7，c＝12，d＝3，k＝0.5时，该系统处于超混沌状态。
本实施例中，超Chen混沌系统的混沌特性的仿真结果如图1所示，从图中可以看出超 chen混沌系统离散后，依然具有混沌吸引子的特性，说明该离散系统依然具有混沌特性。
一种基于超混沌系统的视频加密方法，如图2，包括视频的加密过程和解密过程；
视频的加密过程包括以下步骤：
步骤1-1、将混沌保密通信系统的驱动系统和响应系统利用状态反馈控制器达到同步状态；
本实施例中，混沌保密通信系统的驱动系统和响应系统同步的过程如图3所示，设计的状态反馈控制器，利用驱动系统与响应系统的差值构造反馈控制信号，通过施加反馈控制信号使响应系统跟踪驱动系统，从而实现2个系统的同步。
混沌保密通信系统进行同步的仿真结果如图4所示，从图中可以看出该系统的驱动系统和响应系统很快就能够达到同步。
步骤1-2、驱动系统经过预处理生成加密初始置乱序列和加密初始置乱矩阵；
步骤1-3、将视频明文数据分解为以256字节为单位的数据包，每个数据包的数据与步骤 1-1生成的加密初始置乱矩阵进行异或操作，得到视频的置乱后的密文数据；
步骤1-4、将初始密文数据进行行置乱操作，改变初始密文数据中各数据的排列位置，最终得到视频的密文数据；
步骤1-5、将置乱后的数据进行加取模扩散操作，使数据之间产生尽可能多的相互影响，最终得到视频的密文数据。
视频的解密过程为加密过程的逆过程，包括以下步骤：
步骤2-1、在驱动系统与响应系统同步后，响应系统利用与驱动系统相同的预处理方法生成解密初始置乱序列和解密初始置乱矩阵；
步骤2-2、利用加取模的逆运算对步骤1-4生成的密文数据做逆扩散处理，得到与步骤 1-3中相同的置乱数据；
步骤2-3、利用逆置乱操作，将步骤2-2中得到的数据进行逆置乱变换处理，恢复到明文数据的相同位置；
步骤2-4、将已恢复初始位置的数据包中的数据与解密初始置乱矩阵进行异或操作，得到明文数据。
本实施例中，混沌保密通信系统包括1个路由器、2块ARM开发板、2台PC机和若干网线。其中一块ARM开发板和一台PC机构成加密方，另一块ARM开发板和另一台PC机构成解密方。加密方PC选取待加密的视频，通过路由器发送给加密方ARM开发板进行加密，加密后将密文数据通过路由器传送给解密方的ARM开发板进行解密。解密方的ARM开发板解密完成后，将图片传给解密方的PC机进行显示。如解密后的视频与原视频相同，则说明加解密成功，否则失败。
该混沌保密通信系统进行视频加密解密的过程如图5所示，具体方法为：
(1)初始化硬件设备和网络连接，初始化成功后，将混沌保密通信系统的状态标志位flag 设置为1；
(2)混沌保密通信系统的加密方和解密方并行工作，两者进行混沌同步，同步完成后，加密方和解密方同时进入数据交互阶段；
(3)在加密方，加密方ARM开发板循环读取明文数据，并利用本发明的加密方法对其加密，并将密文数据通过路由器发送给解密方。如读取完毕，将flag设置为0；
(4)在解密方，解密方的ARM开发板循环接收密文数据，并利用本发明的解密方法对其解密。如数据接收完毕，将flag设置为0；
(5)如果任何一方试图结束通信，则将混沌保密通信系统的状态标志位flag设置为0。本实施例中，混沌保密通信系统在发送装置和接收装置内均采用双核处理器，使得两者间双线程进行数据通信，提高了数据处理速度，进而提高混沌保密通信系统的效率。
本实施例中，本发明的加密算法可以获得较好的加密效果。但是，在混沌保密通信系统的状态初值不变的情况下，每次驱动系统和响应系统同步生成的同步矩阵都是完全相同的，这显然对于保密通信来说是不可利的。长时间地使用一个初值，这显就会增加被破获的可能性。基于以上分析，本实施例加入了输入参数的有界增量，但要保证加入增量之后的混沌保密通信系统的状态初值在混沌系统的吸引域内。
显然，如果加入有界增量后的混沌保密通信系统的状态初值依然在混沌吸引域内，那么响应系统就能够跟踪驱动系统。现假设系统混沌同步前的四维状态初值为x_initial、 y_initial、z_initial和w_initial，四维初值增量为x_inc、y_inc、z_inc和w_inc，那么同步前的初值可按照式如下式生成。
其中x_set，y_set，z_set，w_set为混沌保密通信系统上电前已经设置好的参数。
采用上述的方法，如初值增量选取的不完全相同，当混沌保密通信系统达到同步的时候，混沌保密通信系统的同步状态值会有较大的差异。进而反应出系统的保密性能得到提高。本实施例，选取100个不同的初值增量，绘制同步后x维状态值，该值为置乱和扩散的密钥的一部分，如图6所示。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。
Claims (1)
1.一种基于超混沌系统的视频加密方法，其特征在于：包括视频的加密过程和解密过程；
所述视频的加密过程包括以下步骤：
步骤1-1、将混沌保密通信系统的驱动系统和响应系统利用状态反馈控制器达到同步状态；
所述状态反馈控制器，利用驱动系统与响应系统的差值构造反馈控制信号，通过施加反馈控制信号使响应系统跟踪驱动系统，从而实现2个系统的同步；
步骤1-2、驱动系统经过预处理生成加密初始置乱序列和加密初始置乱矩阵；
步骤1-3、将视频明文数据分解为以256字节为单位的数据包，每个数据包的数据与步骤1-2生成的加密初始置乱矩阵进行异或操作，得到视频的初始密文数据；
步骤1-4、将初始密文数据进行行置乱操作，改变初始密文数据中各数据的排列位置，得到视频的置乱后的密文数据；
步骤1-5、将置乱后的数据进行加取模扩散操作，使数据之间产生尽可能多的相互影响，最终得到视频的密文数据；
所述视频的解密过程为加密过程的逆过程，包括以下步骤：
步骤2-1、在驱动系统与响应系统同步后，响应系统利用与驱动系统相同的预处理方法生成解密初始置乱序列和解密初始置乱矩阵；
步骤2-2、利用加取模的逆运算对步骤1-5生成的密文数据做逆扩散处理，得到与步骤1-4中相同的置乱数据；
步骤2-3、利用逆置乱操作，将步骤2-2中得到的数据进行逆置乱变换处理，恢复明文数据的相同位置；
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