CN113079393A - 基于二维指数-正弦超混沌系统的视频流加密系统 - Google Patents

基于二维指数-正弦超混沌系统的视频流加密系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于二维指数‑正弦超混沌系统的视频流加密系统，包括构建2D‑ES超混沌系统和利用2D‑ES超混沌系统对视频信息进行混沌加密算法，基于2D‑ES超混沌系统的视频流加密算法，包括如下步骤：首先对视频流数据进行逐帧提取；再对提取后的帧图像数据进行RGB多通道提取；之后对抽取出的单通道图像数据进行混沌加密；将加密后的单通道图像数据重写回图像当中；在上述加密步骤结束后，将加密后的帧图像重新拼接为加密视频流。本发明基于2D‑ES超混沌系统的视频流加密算法具有较高的密码安全性和较好的实际应用前景。

Description

基于二维指数-正弦超混沌系统的视频流加密系统
技术领域
本发明涉及信息安全技术领域，具体涉及基于二维指数-正弦超混沌系统的视频流 加密系统。
背景技术
伴随5G时代的到来，越来越多的人际间交流迁移到了线上进行。例如视频商业谈判，公司内部视频会议等。而随着线上视频会议的增多，导致部分网络黑客出于经济利 益诱惑，开始窃取互联网中传输的视频数据内容，并以此来获得不法收益。因此，为了 保护公司及个人的隐私以及信息安全，对于视频加密的需求越来越大。
但是目前的视频加密算法普遍存在着加密过程复杂，耗时较长等缺点。对一些要求 能够进行实时加密传输的领域，现有加密算法并不能满足其要求。而随着Matthews等人将混沌系统应用于信息加密领域当中后，混沌加密算法便引起了研究人员的注意。到 目前为止，已有多种一维混沌系统被应用于了信息加密领域。上述一维混沌系统多数具 有迭代速度快、实现方法简单等特点。但是由于一维混沌系统的系统控制参数较少，相 空间轨道分布较为单一，因此极易受到相空间重构等方法的攻击，从而导致密文被恶意 破解。研究者为了克服一维混沌系统的缺点，提出了一系列的改进方案，例如：有研究 者将一维混沌系统的多个控制参数间进行耦合操作，从而使得整个系统的混沌性质变得 更加复杂。也有研究者将多个一维混沌映射整合为一个系统，整个加密过程中在不同混 沌系统间进行切换或级联操作。通过上述方法，可以使得一维混沌系统具有更好的迭代 效率和不可预测性。与此同时，也有研究者尝试通过构建复数域上的一维混沌系统来对 信息进行加密，以期获得更好的混沌特性与加密效果。尽管目前通过上述改进手段提高 了一维混沌系统的信息加密强度，但是，受限于一维混沌系统自身的结构与参数特点， 其信息加密强度仍然有待提高。
发明内容
发明目的：本发明目的在于针对现有视频加密算法中系统控制参数较少，相空间轨 道分布较为单一，极易受到相空间重构等方法的攻击，从而导致密文被恶意破解的问题， 提供一种基于二维指数-正弦超混沌系统的视频流加密系统，该系统在加密视频流时，具有密钥空间大，加密效果好的特点。
技术方案：本发明通过向一维正弦混沌映射系统中引入非线性指数项和高次幂项来 对一维混沌系统进行维度提升，被引入的非线性指数项和高次幂项作为混沌扰动源来对 正弦混沌映射的迭代过程进行扰动。通过上述方法，构建出了一个新的二维指数-正弦超混沌系统，对该系统的混沌特性进行研究，发现该系统具有超混沌特性，相空间轨道 分布结构复杂，在该系统的基础上，提出了一套视频加密算法。
一种基于二维指数-正弦超混沌系统的视频流加密系统，包括构建2D-ES超混沌系统和基于2D-ES超混沌系统的视频流加密算法；所述2D-ES超混沌系统的迭代公式，如 公式(1)所示：
Figure BDA0003004182420000021
其中，控制参数a,b满足a∈[0,0.4],b∈[0,1.7]，初始值x0,y0满足x0∈[0,1]， y0∈[0,2]时，系统处于超混沌状态；
基于2D-ES超混沌系统的视频流加密算法，包括如下步骤：
1)首先对视频流数据进行逐帧提取；
2)再对提取后的帧图像数据进行RGB多通道提取；
3)之后对抽取出的单通道图像数据进行混沌加密；
4)将加密后的单通道图像数据重写回图像当中；
5)在上述加密步骤结束后，将加密后的帧图像重新拼接为加密视频流。
进一步的，对抽取出的单通道图像数据进行混沌加密时，采用了“置乱-扩散-置乱” 的加密策略；所述混沌加密的步骤包括第一轮置乱加密、扩散加密和第二轮置乱加密。
进一步的，所述第一轮置乱加密，包括如下步骤：
步骤1)：在对所述单通道图像数据进行置乱操作时，首先利用2D-ES超混沌系统生成离散数据序列(xn,yn)，设置初始值(x0,y0)＝(0.74,1.38)，控制参数(a,b)＝(0.15,1.27)； 迭代轮次为M*N+5000，其中M，N为所述单通道图像数据的宽、高值，将序列中前5000点数据废弃不用；
在完成上述操作后，对生成的离散数据序列(xn,yn)进行去重处理，将去重后的xn序 列作为图像置乱的行坐标，yn序列作为图像置乱的列坐标，来对单图像数据进行空间置乱操作；具体置乱操作如公式(2)所示：
p(xi,yj)＝p'(xni,ymj) (2)
步骤2)：在完成了上述操作后，将从步骤1)中获得的置乱后的单通道图像数据p沿列方向展开为一维序列数据；
再利用由如下初始值(x0,y0)＝(0.15,1.7)与控制参数(a,b)＝(0.23,1.5)构成的2D-ES超混沌系统生成的用于第一轮加密的离散加密序列，来对空间置乱后的单通道图 像数据p进行加密；2D-ES超混沌系统生成的离散加密序列(xn,yn)长度为M*N+10000， 其中M，N为所述单通道图像数据的宽、高值，将序列中前8000点数据废弃不用；
步骤3)：先将所述单通道图像数据进行坐标置乱后得到数据图像Q，再将步骤2)中获得的离散加密序列(xn,yn)与图像数据Q进行双螺旋加密，具体双螺旋加密如公式(3)所示：
Figure BDA0003004182420000031
其中xn -1,yn -1由离散序列xn,yn逆序排列得到，Q'为加密后的单通道图像数据；
通过上述步骤，即可完成第一轮置乱加密操作，得到第一轮置乱加密后的单通道图 像数据Q'。
进一步的，所述扩散加密，包括如下步骤：
步骤1)：首先计算待加密明文单通道数据的平均像素值M，再对该平均值进行归一化操作，使其处于0～1的取值范围内，再将该归一化后的像素均值M‘作为2D-ES超混 沌系统的x0初始值，并设Ky0初始值为1.5，此时控制参数(a,b)＝(0.25,1.5)，经过M* N+10000轮迭代后，其中M，N为所述单通道图像数据的宽、高值，抛弃前8000个数 据点，获得扩散序列(Kxn,Kyn)；
步骤2)：将经过第一轮置乱加密后的单通道数据Q'沿列方向展开为一维序列数据； 再与步骤1中所获得的扩散序列(Kxn,Kyn)进行双螺旋扩散加密操作，具体扩散加密 公式如公式(4)所示：
Figure BDA0003004182420000041
其中xn -1,yn -1由离散序列Kxn,Kyn逆序排列得到，G为扩散加密后的密文数据；
通过上述步骤，完成对第一轮置乱加密后的加密数据Q'的扩散操作，得到扩散加密 后的密文数据G。
进一步的，所述第二轮置乱加密，即对扩散加密后得到的密文数据G进行置乱加密， 包括如下步骤：
首先利用2D-ES超混沌系统生成离散数据序列(xn,yn)，设置初始值(x0,y0)＝(0.74,1.38)，控制参数(a,b)＝(0.15,1.27)，迭代轮次为M*N+5000，其中M,N为单通 道图像数据的宽、高值，将序列中前9000点数据废弃不用；
在完成上述操作后，对生成的离散数据序列(xn,yn)进行去重处理，将去重后的xn序列作为图像置乱的行坐标，yn序列作为图像置乱的列坐标，来对单通道图像数据进行 空间置乱操作，具体置乱操作如公式(2)所示；
p(xi,yj)＝p'(xni,ymj) (2)
通过上述步骤，即可完成第二轮置乱加密操作。
进一步的，利用2D-ES超混沌系统对视频信息进行混沌加密的算法运行硬件系统上， 所述硬件系统包括摄像头和加密主机。
进一步的，所述摄像头的镜头可视角度为90°～120°，所述摄像头为高清彩色摄像头；所述摄像头的LED补光系统包括5～10颗高清白光灯珠，补光策略为亮度低于普通 室内照明亮度时，补光灯亮起，LED补光系统照射距离为1.5～2米。
进一步的，所述摄像头与加密主机之间通过USB协议进行视频流传输，所述USB协议同时兼容2.0及3.0协议。
进一步的，所述加密主机RAM为64G，ROM为8G；CPU为四核64位ARM Cortex-A72 架构CPU，型号为博通BCM2711 SoC；GPU型号为VideoCore VI GPU，支持OpenGL ES 3.x 协议。
进一步的，所述加密主机配置有两台加密监控显示屏，所述显示屏的分辨率为1080P 级别。
有益效果：1)本发明利用构建2D-ES超混沌系统对视频信息进行混沌加密算法，具有密钥空间大，加密效果好等特点；2)该算法可以有效的抵御穷举式以及差分式攻 击。同时该算法可以有效的消除明文图像中的像素相关性，并且对于明文中像素间的微 小变化异常敏感，极微小的变化也可以使加密后的数据完全改变；3)基于2D-ES超混 沌系统的视频流加密算法具有较高的密码安全性和较好的实际应用前景。
附图说明
图1为本发明基于2D-ES超混沌系统的视频流加密算法。
图2为本发明硬件系统的组成示意图。
图3为本发明构建的2D-ES超混沌系统相轨图。
图4为本发明构建的2D-ES超混沌系统的Lyapunov指数曲线。
图5为本发明构建的2D-ES超混沌加密图像及直方图信息。
具体实施方式
下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于实 施例。
一种基于二维指数-正弦超混沌系统的视频流加密系统，包括构建2D-ES超混沌系统和基于2D-ES超混沌系统的视频流加密算法；
所述2D-ES超混沌系统的迭代公式，如公式1所示：
Figure BDA0003004182420000061
其中，控制参数a,b满足a∈[0,0.4],b∈[0,1.7]，初始值x0,y0满足x0∈[0,1]， y0∈[0,2]时，系统处于超混沌状态；
基于2D-ES超混沌系统的视频流加密算法，包括如下步骤：
1)首先对视频流数据进行逐帧提取；
2)再对提取后的帧图像数据进行RGB多通道提取；
3)之后对抽取出的单通道图像数据进行混沌加密；
4)将加密后的单通道图像数据重写回图像当中；
5)在上述加密步骤结束后，将加密后的帧图像重新拼接为加密视频流。
对抽取出的单通道图像数据进行混沌加密时，采用了“置乱-扩散-置乱”的加密策略；所述混沌加密的步骤包括第一轮置乱加密、扩散加密和第二轮置乱加密。
所述第一轮置乱加密，包括如下步骤：
步骤1)：在对所述单通道图像数据进行置乱操作时，首先利用2D-ES超混沌系统生成离散数据序列(xn,yn)，设置初始值(x0,y0)＝(0.74,1.38)，控制参数(a,b)＝(0.15,1.27)； 迭代轮次为M*N+5000，其中M，N为所述单通道图像数据的宽、高值，将序列中前5000点数据废弃不用；
在完成上述操作后，对生成的离散数据序列(xn,yn)进行去重处理，将去重后的xn序 列作为图像置乱的行坐标，yn序列作为图像置乱的列坐标，来对单图像数据进行空间置乱操作；具体置乱操作如公式2所示：
p(xi,yj)＝p'(xni,ymj) (2)
步骤2)：在完成了上述操作后，将从步骤1)中获得的置乱后的单通道图像数据p沿列方向展开为一维序列数据；
再利用由如下初始值(x0,y0)＝(0.15,1.7)与控制参数(a,b)＝(0.23,1.5)构成的2D-ES超混沌系统生成的用于第一轮加密的离散加密序列，来对空间置乱后的单通道图 像数据p进行加密；2D-ES超混沌系统生成的离散加密序列(xn,yn)长度为M*N+10000， 其中M，N为所述单通道图像数据的宽、高值，将序列中前8000点数据废弃不用；
步骤3)：先将所述单通道图像数据进行坐标置乱后得到数据图像Q，再将步骤2)中获得的离散加密序列(xn,yn)与图像数据Q进行双螺旋加密，具体双螺旋加密如公式3 所示：
Figure BDA0003004182420000071
其中xn -1,yn -1由离散序列xn,yn逆序排列得到，Q'为加密后的单通道图像数据；
通过上述步骤，即可完成第一轮置乱加密操作，得到第一轮置乱加密后的单通道图 像数据Q'。
所述扩散加密，包括如下步骤：
步骤1)：首先计算待加密明文单通道数据的平均像素值M，再对该平均值进行归一化操作，使其处于0～1的取值范围内，再将该归一化后的像素均值M‘作为2D-ES超混 沌系统的x0初始值，并设Ky0初始值为1.5，此时控制参数(a,b)＝(0.25,1.5)，经过M* N+10000轮迭代后，其中M，N为所述单通道图像数据的宽、高值，抛弃前8000个数 据点，获得扩散序列(Kxn,Kyn)；
步骤2)：将经过第一轮置乱加密后的单通道数据Q'沿列方向展开为一维序列数据； 再与步骤1中所获得的扩散序列(Kxn,Kyn)进行双螺旋扩散加密操作，具体扩散加密 公式如公式4所示：
Figure BDA0003004182420000072
其中xn -1,yn -1由离散序列Kxn,Kyn逆序排列得到，G为扩散加密后的密文数据；
通过上述步骤，完成对第一轮置乱加密后的加密数据Q'的扩散操作，得到扩散加密 后的密文数据G。
进一步的，所述第二轮置乱加密，即对扩散加密后得到的密文数据G进行置乱加密， 包括如下步骤：
首先利用2D-ES超混沌系统生成离散数据序列(xn,yn)，设置初始值(x0,y0)＝(0.74,1.38)，控制参数(a,b)＝(0.15,1.27)，迭代轮次为M*N+5000，其中M,N为单通 道图像数据的宽、高值，将序列中前9000点数据废弃不用；
在完成上述操作后，对生成的离散数据序列(xn,yn)进行去重处理，将去重后的xn序列作为图像置乱的行坐标，yn序列作为图像置乱的列坐标，来对单通道图像数据进行 空间置乱操作，具体置乱操作如公式2所示；
p(xi,yj)＝p'(xni,ymj) (2)
通过上述步骤，即可完成第二轮置乱加密操作。
利用2D-ES超混沌系统对视频信息进行混沌加密的算法运行硬件系统上，所述硬件 系统包括摄像头和加密主机。所述摄像头的镜头可视角度为90°～120°，所述摄像头为高清彩色摄像头；所述摄像头的LED补光系统包括5～10颗高清白光灯珠，补光策略为 亮度低于普通室内照明亮度时，补光灯亮起，LED补光系统照射距离为1.5～2米。所述 摄像头与加密主机之间通过USB协议进行视频流传输，所述USB协议同时兼容2.0及3.0 协议。所述加密主机RAM为64G，ROM为8G；CPU为四核64位ARM Cortex-A72架构CPU， 型号为博通BCM2711SoC；GPU型号为VideoCore VI GPU，支持OpenGL ES 3.x协议。所 述加密主机配置有两台加密监控显示屏，所述显示屏的分辨率为1080P级别。
本文通过向一维sine混沌映射系统中引入指数及高次幂项的方式，构造出了一个具 有超混沌特性的2D-ES二维超混沌系统，通过对该系统利用Lyapunov指数计算，分岔 图及空间相图绘制等方法进行研究后，发现该系统具有复杂的相空间结构，同时具有超 混沌特性，说明该系统具有非常复杂的混沌行为。
图3为本发明的2D-ES超混沌系统相轨图，如图3所示，本发明构建的2D-ES 超混沌系统同传统混沌系统相比，具有更大的数值搜索空间。
图4为本发明构建的2D-ES超混沌系统的Lyapunov指数曲线，如图4所示，图中 线条A和线条B分别代表了2D-ES超混沌系统的第一维(x)与第二维(y)随着控制变量a 变化的Lyapnov指数曲线。可以发现，在控制变量a∈[0,0.2]的取值范围内，x与y曲线 的Lyapnov指数均为正数，说明该系统处于超混沌状态。
图5为本发明构建的2D-ES超混沌加密图像及直方图信息，如图5所示，可以直 观的看出，视频流数据进行逐帧提取后的帧图片，在经过本发明所述的加密系统加密后， 加密后的图片灰度直方图均匀分布，像素间的相关性被打破，所有有效信息被湮没于混 沌噪音中。进而说明了本发明所述的加密系统具有较好的加密特性。
本发明利用构建2D-ES超混沌系统对视频信息进行混沌加密算法，具有密钥空间大， 加密效果好等特点；仿真实验表明该算法可以有效的抵御穷举式以及差分式攻击，同时 该算法可以有效的消除明文图像中的像素相关性，并且对于明文中像素间的微小变化异 常敏感，极微小的变化也可以使加密后的数据完全改变；因此，基于2D-ES超混沌系统的视频流加密算法具有较高的密码安全性和较好的实际应用前景。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为 对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (10)

1.一种基于二维指数-正弦超混沌系统的视频流加密系统，其特征在于，包括构建2D-ES超混沌系统和基于2D-ES超混沌系统的视频流加密算法；
所述2D-ES超混沌系统的迭代公式，如公式(1)所示：
Figure FDA0003004182410000011
其中，控制参数a，b满足a∈[0，0.4]，b∈[0，1.7]，初始值x0，y0满足x0∈[0，1]，y0∈[0，2]时，系统处于超混沌状态；
基于2D-ES超混沌系统的视频流加密算法，包括如下步骤：
1)首先对视频流数据进行逐帧提取；
2)再对提取后的帧图像数据进行RGB多通道提取；
3)之后对抽取出的单通道图像数据进行混沌加密；
4)将加密后的单通道图像数据重写回图像当中；
5)在上述加密步骤结束后，将加密后的帧图像重新拼接为加密视频流。
2.根据权利要求1所述的基于二维指数-正弦超混沌系统的视频流加密系统，其特征在于，对抽取出的单通道图像数据进行混沌加密时，采用了“置乱-扩散-置乱”的加密策略；所述混沌加密的步骤包括第一轮置乱加密、扩散加密和第二轮置乱加密。
3.根据权利要求2所述的基于二维指数-正弦超混沌系统的视频流加密系统，其特征在于，所述第一轮置乱加密，包括如下步骤：
步骤1)：在对所述单通道图像数据进行置乱操作时，首先利用2D-ES超混沌系统生成离散数据序列(xn，yn)，设置初始值(x0，y0)＝(0.74，1.38)，控制参数(a，b)＝(0.15，1.27)；迭代轮次为M*N+5000，其中M，N为所述单通道图像数据的宽、高值，将序列中前5000点数据废弃不用；
在完成上述操作后，对生成的离散数据序列(xn，yn)进行去重处理，将去重后的xn序列作为图像置乱的行坐标，yn序列作为图像置乱的列坐标，来对单图像数据进行空间置乱操作；具体置乱操作如公式(2)所示：
p(xi，yj)＝p′(xni，ymj) (2)
步骤2)：在完成了上述操作后，将从步骤1)中获得的置乱后的单通道图像数据p沿列方向展开为一维序列数据；
再利用由如下初始值(x0，y0)＝(0.15，1.7)与控制参数(a，b)＝(0.23，1.5)构成的2D-ES超混沌系统生成的用于第一轮加密的离散加密序列，来对空间置乱后的单通道图像数据p进行加密；2D-ES超混沌系统生成的离散加密序列(xn，yn)长度为M*N+10000，其中M，N为所述单通道图像数据的宽、高值，将序列中前8000点数据废弃不用；
步骤3)：先将所述单通道图像数据进行坐标置乱后得到数据图像Q，再将步骤2)中获得的离散加密序列(xn，yn)与图像数据Q进行双螺旋加密，具体双螺旋加密如公式(3)所示：
Figure FDA0003004182410000021
其中xn -1，yn -1由离散序列xn，yn逆序排列得到，Q′为加密后的单通道图像数据；
通过上述步骤，即可完成第一轮置乱加密操作，得到第一轮置乱加密后的单通道图像数据Q′。
4.根据权利要求3所述的基于二维指数-正弦超混沌系统的视频流加密系统，其特征在于，所述扩散加密，包括如下步骤：
步骤1)：首先计算待加密明文单通道数据的平均像素值M，再对该平均值进行归一化操作，使其处于0～1的取值范围内，再将该归一化后的像素均值M‘作为2D-ES超混沌系统的x0初始值，并设Ky0初始值为1.5，此时控制参数(a，b)＝(0.25，1.5)，经过M*N+10000轮迭代后，其中M，N为所述单通道图像数据的宽、高值，抛弃前8000个数据点，获得扩散序列(Kxn，Kyn)；
步骤2)：将经过第一轮置乱加密后的单通道数据Q′沿列方向展开为一维序列数据；再与步骤1中所获得的扩散序列(Kxn，Kyn)进行双螺旋扩散加密操作，具体扩散加密公式如公式(4)所示：
Figure FDA0003004182410000031
其中xn -1，yn -1由离散序列Kxn，Kyn逆序排列得到，G为扩散加密后的密文数据；
通过上述步骤，完成对第一轮置乱加密后的加密数据Q′的扩散操作，得到扩散加密后的密文数据G。
5.根据权利要求4所述的基于二维指数-正弦超混沌系统的视频流加密系统，其特征在于，所述第二轮置乱加密，即对扩散加密后得到的密文数据G进行置乱加密，包括如下步骤：
首先利用2D-ES超混沌系统生成离散数据序列(xn，yn)，设置初始值(x0，y0)＝(0.74，1.38)，控制参数(a，b)＝(0.15，1.27)，迭代轮次为M*N+5000，其中M，N为单通道图像数据的宽、高值，将序列中前9000点数据废弃不用；
在完成上述操作后，对生成的离散数据序列(xn，yn)进行去重处理，将去重后的xn序列作为图像置乱的行坐标，yn序列作为图像置乱的列坐标，来对单通道图像数据进行空间置乱操作，具体置乱操作如公式(2)所示；
p(xi，yj)＝p′(xni，ymj) (2)
通过上述步骤，即可完成第二轮置乱加密操作。
6.根据权利要求5所述的基于二维指数-正弦超混沌系统的视频流加密系统，其特征在于，利用2D-ES超混沌系统对视频信息进行混沌加密的算法运行硬件系统上，所述硬件系统包括摄像头和加密主机。
7.根据权利要求6所述的基于二维指数-正弦超混沌系统的视频流加密系统，其特征在于，所述摄像头的镜头可视角度为90°～120°，所述摄像头为高清彩色摄像头；所述摄像头的LED补光系统包括5～10颗高清白光灯珠，补光策略为亮度低于普通室内照明亮度时，补光灯亮起，LED补光系统照射距离为1.5～2米。
8.根据权利要求6所述的基于二维指数-正弦超混沌系统的视频流加密系统，其特征在于，所述摄像头与加密主机之间通过USB协议进行视频流传输，所述USB协议同时兼容2.0及3.0协议。
9.根据权利要求6所述的基于二维指数-正弦超混沌系统的视频流加密系统，其特征在于，所述加密主机RAM为64G，ROM为8G；CPU为四核64位ARM Cortex-A72架构CPU，型号为博通BCM2711 SoC；GPU型号为VideoCore VI GPU，支持OpenGL ES 3.x协议。
10.根据权利要求6所述的基于二维指数-正弦超混沌系统的视频流加密系统，其特征在于，所述加密主机配置有两台加密监控显示屏，所述显示屏的分辨率为1080P级别。
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