基于混沌序列的視頻保密通信

陳春光，禹思敏

(廣東工業大學自動化學院，廣東廣州510006)

基于混沌序列的視頻保密通信

陳春光，禹思敏

(廣東工業大學自動化學院，廣東廣州510006)

隨著網絡和多媒體技術的快速發展，信息安全技術成為了人們關注的一個熱點課題。圖像視頻信息保密通信是混沌應用的一個新領域，混沌加密在計算機網絡和視頻通信方面的應用為解決信息安全問題開辟了一種新的途徑。根據一個離散時間混沌序列，運用驅動—響應式同步方法對視頻數據進行實時加密和解密，最后通過WiFi網絡傳輸實現了無線混沌視頻保密通信。

視頻;混沌加密;驅動—響應式同步;保密通信

近年來，隨著混沌理論研究的深入，混沌應用也成為了人們關注的熱點課題［1-4］。混沌同步與保密通信是混沌應用的重要方向。在通信技術發展過程中，保密通信技術將是通信中的核心技術之一。混沌密碼學憑借其自身的特點，在保密通信中具有良好的應用前景。

混沌保密通信主要是通過產生隨機性能良好的混沌序列，從而在多媒體加密和解密中獲得實際應用。混沌系統的復雜性決定了混沌密碼系統的安全性，復雜的混沌結構和行為能在很大程度上提高系統的安全性。混沌系統的同步、混沌序列的生成和加密速度的提高是混沌保密通信應用的幾個實際問題。這些問題的解決將有助于混沌在多媒體加密技術中獲得更為廣泛的應用［5］。本文根據一個離散時間混沌系統，利用驅動—響應式混沌同步方法對視頻數據進行實時加密和解密，在ARM嵌入式平臺和TCP傳輸協議的基礎上，通過WiFi網絡傳輸實現無線混沌視頻保密通信，硬件實驗結果證實了該方法的有效性。

1 視頻保密通信系統

1.1 系統構成

用混沌序列實現視頻加密和解密的系統結構圖如圖1所示。主要分為3個部分和7個模塊。第一部分為服務器端，包括視頻采集模塊、格式轉換模塊和混沌加密模塊，服務器端主要是負責視頻采集、格式轉換和加密，并為下一步的無線網絡傳輸作前期處理工作;第二個部分為無線網絡傳輸，包括WiFi模塊和TP-Link 150 m無線路由器，通過TCP傳輸協議進行數據的收發;第三部分為客戶端，包括混沌解密模塊、格式轉換模塊和視頻播放模塊，主要負責解密和格式轉換和處理，最后還原出視頻圖像。

圖1 系統結構圖

1.2 硬件平臺選取

本系統是在ARM嵌入式平臺和Linux環境下開發的，在考慮資源和成本的情況下，選取飛凌嵌入式學習開發板S3C6410作為硬件平臺。S3C6410是基于ARM11內核來設計的，與ARM9相比，它不僅是速度方面的提升，并且在其他功能上更具備開發價值。例如，S3C6410內部集成了視頻流編解碼的功能。其次，S3C6410還能夠運行Android等操作系統，配備有先進的 OTG接口，支持SLC/MLC等主流的NAND Flash。此外，它還專門配備了多個擴展模塊，如CMOS攝像頭模塊、WiFi無線模塊等可供選擇。在本系統中，通過CMOS攝像頭模塊和WiFi無線模塊來實現視頻采集和傳輸功能。

該系統由服務器和客戶端兩部分組成。服務器端采集視頻數據并進行混沌加密，客戶端負責解密并顯示圖像。相應的硬件平臺分別如圖2和圖3所示。

圖2 服務器端硬件平臺

圖3 客戶端硬件平臺

1.3 視頻圖像的主要特點

對于靜止圖像而言，由于其數據量相對較少，對網絡傳輸速率的要求不高，加密和解密操作簡單。然而，對于視頻來說，具有數據量大、實時要求高、傳輸速率快且視頻數據傳輸時對網絡帶寬有較高要求等特點。通常而言，如果播放速率達到16～20 f/s(幀/秒)以上，視頻的播放才相對流暢。本系統所采用的CMOS接口攝像頭產生的圖像像素點為 320×240×2，每幀為150 kbyte，視頻圖像效果較清晰。

2 視頻信號的混沌加密和解密原理

2.1 加密和解密原理

在本系統中，選取如下的混沌系統作為視頻信號的加密和解密運算

式中:a11=0.2;a12=-0.3;a13=0.1;a21=0.3;a22= -0.2;a23=-0.1;a31=-0.1;a32=-0.1;a33=0.2; A=1.8×105;B=16。

根據式(1)，進一步得基于驅動—響應式同步的加密和解密原理框圖如圖4所示。

圖4 基于驅動—響應式同步的加密和解密原理框圖

2.2 加密過程

驅動—響應式同步是在加密端和解密端之間實現的。在加密端的混沌系統中，首先選取驅動變量x2(k) (k=1，2，…)，通過賦予初值使混沌系統在加密端開始迭代，產生初始序列x2(1)。x2(1)與所要加密的視頻序列的首個數據s(1)進行異或操作，得到加密后的混沌序列p(1)，再將p(1)反饋回來給x1(1)與x3(1)，重新形成一組新的數據x1(2)，x2(2)，x3(2)。同時在新一輪的迭代中，一旦選取了x2(k)(k=1，2，…)為驅動變量，式(1)中第1個和第3個方程的x2(k)與產生的p(k)將進行下一步的迭代運算，通過這樣一系列的迭代后產生混沌序列流p(k)(k=1，2，…)。

2.3 解密過程

在解密端，采用相同的混沌系統進行逆操作運算。p(k)(k=1，2，…)通過WiFi無線網絡傳輸到解密端后，與解密端混沌系統產生的x2(k)(k=1，2，…)進行異或運算，在混沌同步的情況下，能還原出原來的視頻信號(k)=s(k)(k=1，2，…)，最后將視頻數據解密出來。

3 系統設計與硬件實現

3.1 軟件系統設計

軟件系統包括服務器和客戶端兩部分。服務器端利用CMOS攝像頭采集視頻數據，進行格式轉換后，用加密端產生的混沌序列進行加密操作，最后通過WiFi模塊發送加密后的視頻數據p(k)(k=1，2，…)。在客戶端通過WiFi模塊接收加密后的視頻數據，經過解密后得到原始的視頻流(k)=s(k)(k=1，2，…)，并且在顯示屏上實時顯示出來。整個系統的工作流程如圖5所示。

3.2 硬件系統

硬件系統包括兩塊S3C6410開發板，分別用作服務器端和客戶端。服務器端連接CMOS攝像頭和無線收發設備，負責采集與發送。客戶端連接無線收發設備與LED顯示屏，負責接收視頻數據與實時播放。服務器端和客戶端對應的兩塊開發板分別如圖6、圖7所示。

圖5 系統的工作流程圖

圖6 服務器端

圖7 客戶端

3.3 硬件實現結果

經過理論分析與仿真、硬件平臺選擇和參數調試等一系列過程后，再利用SOCKET網絡編程，得到在板級環境下視頻混沌保密通信的硬件實現結果如圖8～圖10所示。從圖9可以看出，原始視頻圖像經過混沌序列加密后，整個屏幕都變成了一幅雪花點圖像，說明混沌序列加密達到了預期的效果。從圖10可以看出，在客戶端經同步的混沌序列解密后，能夠還原出與原始視頻幾乎相同的圖像，這說明混沌加密技術在視頻保密通信中具有良好的實際應用價值。

圖8 原始視頻

圖9 加密后視頻

圖10 解密后視頻

4 結論

本文根據一個離散時間混沌系統，利用驅動—響應式同步方法對視頻數據進行實時加密和解密。實驗中采用了兩塊S3C6410開發板，分別用作服務器端和客戶端，在ARM嵌入式平臺和TCP傳輸協議的基礎上，通過WiFi網絡傳輸實現了無線混沌視頻保密通信，給出了硬件實現結果，證實了該方法的有效性。在后續的實驗研究中，將重點考慮視頻的H.264編碼和解碼，進一步解決傳輸速率的問題。

［1］PECORA LM，CARROLL T L.Synchronization in chaotic systems［J］. Phys.Rev.Lett.，1990，64(8):821-823.

［2］陳關榮，汪小帆.動力系統的混沌化——理論、方法與應用［M］.上海:上海交通大學出版社，2006.

［3］KHANZADIH，ESHGHIM，BORUJENISE.Design and FPGA implementation of a pseudo random bit generator using chaoticmaps［J］.IETE Journal of Research，2013(59):63-73.

［4］RAO K D，GANGADHAR C.Discrete wavelet transform and modified chaotic key-based algorithm for image encryption and its VLSI realization［J］.IETE Journal of Research，2012(58):114-20.

［5］禹思敏.混沌系統與混沌電路——原理、設計及其在通信中的應用［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2011.

Video Secure Communications Based on Chaotic Sequences

CHEN Chunguang，YU Simin
(College of Automation，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China)

With the rapid development of networks and multimedia technology，information security technology has become a hot topic of concern. Secure communications on video information is a new field of chaos application.Utilizing chaotic encryption in computer networks and video communication has opened a new approach for solving information security.In this paper，according to a discrete-time chaotic sequence，the drive-response synchronization method is applied to encrypt and decrypt video information in real-time.Finally，theWiFi network has been considered for the implementation of wireless chaotic video secure communications.

video;chaotic encryption;drive-response synchronization;secure communication

TN914.3

A

陳春光(1986—)，碩士生，研究方向為混沌保密通信;

?? 盈

2014-01-14

【本文獻信息】陳春光，禹思敏.基于混沌序列的視頻保密通信［J］.電視技術，2014，38(23).

廣東省自然科學基金項目(S2011010001018)

禹思敏(1957—)，博士生導師，研究方向為非線性電路與系統、混沌理論與保密通信。