基于混沌加密技術(shù)的WCDMA數(shù)字視頻監(jiān)控終端

陳 越

（中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，中山廣東 528404）

0 引言

現(xiàn)有的數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)普遍采用明文數(shù)據(jù)傳輸所帶來的安全性問題越來越受用戶的重視，尤其對如政府部門、企業(yè)機構(gòu)等用戶，其監(jiān)控內(nèi)容常常涉及到國家機密、商業(yè)秘密等，必須經(jīng)過加密。由于監(jiān)控視頻流具有海量數(shù)據(jù)、傳輸比特率高、實時性強等特點，傳統(tǒng)的文字加密方法不適合視頻加密。

混沌序列具有非周期、連續(xù)寬頻帶、類噪聲和長期不可預(yù)測等特點[1]，加密的開銷小，特別適用于對明文視頻數(shù)據(jù)的加密[2]。H.264 是目前國際上主流的視頻數(shù)據(jù)壓縮標準，在相近的圖像質(zhì)量上，縮效率高比H.263 和MEPG4 提高近一倍[3]，大大增強了視頻的壓縮效率和傳輸效率。在加密過程中合理利用H.264視頻自身數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點，能顯著減少運算量，提高系統(tǒng)效率。

布防范圍大、視頻采集點多是數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的一大特點，實際應(yīng)用的需求也在不斷提高，這就需要系統(tǒng)配置大量的視頻監(jiān)控終端。現(xiàn)有的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)，往往基于局域網(wǎng)或者專網(wǎng)，其應(yīng)用靈活性受到傳輸介質(zhì)的限制，例如在偏遠郊區(qū)或在原布有各種錯綜復(fù)雜通信線的城區(qū)重新布網(wǎng)絡(luò)線，系統(tǒng)造價費用高，工程安裝難度大，在臨時的或移動性的視頻監(jiān)控應(yīng)用中，視頻終端采用有線傳輸介質(zhì)更是極不方便。因此，在傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)介質(zhì)中，3G無線通信已經(jīng)成為數(shù)字視頻監(jiān)控的新寵兒。而在國內(nèi)已商用的3種主要的3G無線通信系統(tǒng)中，WCDMA無線通信系統(tǒng)技術(shù)最為成熟，上、下行傳輸速率最高，同時碼分多址的信道具備更強的安全性。因此，基于WCDMA網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)終端與視頻監(jiān)控中心之間的遠程視頻圖像傳送，能有效保障傳輸質(zhì)量流暢和圖像清晰。

1 系統(tǒng)概述

數(shù)字視頻監(jiān)控終端在硬件上由TMS320DM642主控DSP、前端視頻采集設(shè)備、焦距光圈控制電路、云臺及其驅(qū)動和電源部分組成，如圖1所示。

圖1 數(shù)字視頻監(jiān)控終端硬件組成

前端視頻采集設(shè)備通過視頻模數(shù)轉(zhuǎn)換電路從普通的模擬攝像槍中采集視頻信號，并轉(zhuǎn)換為16bit YUV 4:2:2格式的數(shù)字信號輸入DM642芯片；在DM642芯片內(nèi)進行數(shù)字視頻信號的H.264壓縮編碼和混沌加密，加密和編碼同步進行，在加密過程中合理利用H.264視頻自身數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點，降低加密開銷，提高加密效率；DSP芯片將經(jīng)過壓縮和加密后的視頻流通過3G（WCDMA）無線傳輸模塊傳輸監(jiān)控中心。傳送的方式是通過WCDMA網(wǎng)絡(luò), 系統(tǒng)具有WCDMA的 PPP 撥號功能, 并嵌入式地實現(xiàn) TCP/ IP 協(xié)議, 同時支持動態(tài) IP。

該視頻監(jiān)控終端的主要技術(shù)指標如下：

1.1 采用WCDMA無線數(shù)據(jù)通信方式，接入速率可達1Mbps；

1.2 模擬攝像槍輸出：PAL 的ITU- RBT.601 格式；

1.3 模擬-數(shù)字視頻轉(zhuǎn)換輸出：16bit Digital YUV 4:2:2格式；

1.4 編碼格式: H.264 ，352×288 ( CIF) 最高幀率15fps，176×144 ( QCIF)最高幀率25fps；

1.5 碼率 : 512Kbps/128Kbps；

1.6 基于混沌映射生成偽序列的加密方法進行實時加密，幀密鑰序列長度大于103，具有良好的安全性；

1.7 加密對碼率的影響小于5%，基本不影響視頻數(shù)據(jù)的傳輸效率；對幀率的影響小于2%，不影響觀看感受，具有良好的實時性。

2 編碼與加密算法

H.264編碼標準中定義了兩層編碼構(gòu)架[4]：視頻編碼層(Video Coding Layer，VCL)和網(wǎng)絡(luò)提取層(NetworkAbstractionLayer，NAL)。其中，VCL的主要功能是采用運動補償、變換編碼、熵編碼及去方塊濾波等多種技術(shù)，對原始視頻數(shù)據(jù)進行高效壓縮，得到的是壓縮數(shù)據(jù)流[5]；NAL定義了數(shù)據(jù)封裝的格式；VCL提供與網(wǎng)絡(luò)無關(guān)的統(tǒng)一的格式。對NAL數(shù)據(jù)單元進行封裝，就可以適應(yīng)于不同的傳輸系統(tǒng)，如H.320、RTP/IP等。

視頻流加密的嵌入過程在整數(shù)變換與量化之后及熵編碼之前，加密過程為：首先根據(jù)預(yù)先獲得的密匙初始化混沌序列發(fā)生器C；視頻監(jiān)控終端從C中取得一個加密序列Si(i=1,2,…)和一個控制序列Gk(k=1,2,…)，運用混沌加密算法EC(·)將秘密信息的明文m加密為密文c，然后運用密寫嵌入算法ES(·)將密文嵌入到視頻序列中，獲得載密的視頻序列d，最后將d通過NAL層送入信道傳輸[6]。

混沌加密算法如下：

2.1 設(shè)由C產(chǎn)生的混沌序列為Sk(k=1,2,…)；

2.2 設(shè)f為歸一化函數(shù)，且lk=f(Sk)，對任意的序列值Sk，有0≤lk≤255；

2.3 每次需加密的明文為M字節(jié)（對長度大于M的明文進行分段，每段為M字節(jié)，對小于這個長度的則在其后補1）；

2.4 每次用于加密的序列 Li=[li×M+1，li×M+2，…，li×M+M]，i=0，1，…；

2.5 加密過程為：c=EC(m，Li)=m⊕Li，⊕表示異或；

用于加密的混沌序列Sk由logistic映射迭代產(chǎn)生：Sk+1=αSk(1-Sk)，其中α是混沌映射系數(shù)。

密寫嵌入算法如下：

2.5.1 設(shè)嵌入比特流長度為N，并表示為：b1，b2，…，bN，其中bi=1或0 (i=1,2,…,N)；

2.5.2 需要載體數(shù)據(jù)(即量化后的非零AC系數(shù))的個數(shù)為 N+1，設(shè)其 LSB 為 ；d0，d1，…，dN，其中 di=1 或 0 (i=0,1,…,N) ；

2.5.3 設(shè)由C產(chǎn)生的用于控制密寫嵌入的混沌序列為Gk(k=1,2,…)，由logistic映射迭代產(chǎn)生；

2.5.4 在Gk的控制下，從d0，d1，…，dN選取一個作為嵌入控制位dcbk，當dcbk為1時，將各比特取反后嵌入，當dcbk為0時，將各比特直接嵌入。cbk由下式產(chǎn)生：cbk=round(Gk×(N+1))，其中round(·)為四舍五入取整運算；

3 性能分析

視頻數(shù)據(jù)采用WCDMA網(wǎng)絡(luò)傳輸，數(shù)據(jù)率成為系統(tǒng)瓶頸，因此加密過程對碼率的影響決定了加密算法的性能。用QCIF格式標準視頻序列對算法進行了仿真，表1顯示了加密后對壓縮比的影響，可見加密對對壓縮比的影響小于5%。

表1 加密對壓縮比的影響

4 結(jié)論

基于混沌加密技術(shù)的WCDMA數(shù)字視頻監(jiān)控終端使用技術(shù)成熟、傳輸速率快的3G無線通信網(wǎng)絡(luò)WCDMA來傳輸數(shù)據(jù)，并結(jié)合H.264自身數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點，對視頻數(shù)據(jù)實現(xiàn)高效的混沌加密，同時保證監(jiān)控視頻的實時傳輸，適合于對視頻保密性有高要求的應(yīng)用領(lǐng)域，同時，其安裝配置靈活等特點，使它特別適合臨時監(jiān)控系統(tǒng)、車載監(jiān)控等應(yīng)用場合。

[1]一種改進的混沌序列生成方案及性能分析[J], 2008 .

[2]張薇,何瑞春.一種基于Logistic混沌序列的加密隱藏算法[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報.2006(04) .

[3]常侃.H.264的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京郵電大學(xué) 2010

[4]Peng Wu，Chuan-Bai Xiao，“An Adaptive Fast Multiple Referenee Frames Seleetion Algorithm for H.264/AVC”，Proeeedings of International Conference on Acoustics，Speeeh，Signal Processing(ICASSP 08)，pp.1017-1020，LasVegas，Nevada，USA，Apr.2008.

[5]畢厚杰，王健.新一代視頻壓縮碼標準—H.264/AVC(第二版).人民郵電出版社, 2009.

[6]馮久超.混沌信號與信息處理.清華大學(xué)出版社，2012.