本文提出了用三維Lorenz混沌系統(tǒng)和Matlab仿真工具實(shí)現(xiàn)混沌數(shù)字視頻加密。利用Matlab工具產(chǎn)生AVI視頻信號(hào)，同時(shí)，利用混沌序列對(duì)初始條件和系統(tǒng)參數(shù)非常敏感的特性，采用驅(qū)動(dòng)響應(yīng)式同步的加密算法方案，對(duì)產(chǎn)生的AVI視頻進(jìn)行加解密，最后通過將混沌序列的初始條件和系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行微弱調(diào)整，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行深入分析。
1 AVI 頻文件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
音頻視頻交錯(cuò)格式AVI(Audio Video Interleaved)是將語(yǔ)音和影像同步組合在一起的文件格式。它對(duì)視頻文件采用了一種有損壓縮方式，但壓縮比較高，AVI支持256色和RLE壓縮，一個(gè)AVI文件可以包含多個(gè)不同類型的媒體流，它以一系列的位圖來(lái)存儲(chǔ)視頻信息，并在文件中加入以數(shù)字形式存儲(chǔ)的數(shù)字化視頻信息。
AVI包含三部分：文件頭、數(shù)據(jù)塊和索引塊。其中文件頭包括文件的通用信息，定義數(shù)據(jù)格式及壓縮算法等參數(shù)。數(shù)據(jù)塊包含實(shí)際數(shù)據(jù)流，即圖像和聲音序列數(shù)據(jù)，是文件的主體，也是決定文件容量的主要部分。視頻文件的大小等于該文件的數(shù)據(jù)率乘以該視頻播放的時(shí)間長(zhǎng)度。索引塊包括數(shù)據(jù)塊列表和它們?cè)谖募械奈恢?，以提供文件?nèi)數(shù)據(jù)隨機(jī)存取能力。
2 Lorenz混沌系統(tǒng)與離散化處理
使用一個(gè)Lorenz混沌系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行AVI視頻文件的加密和解密，Lorenz系統(tǒng)的無(wú)量綱狀態(tài)方程數(shù)學(xué)表達(dá)式為[14]：
根據(jù)式(1)和式(2)以及上述參數(shù)，可以得到Lorenz混沌系統(tǒng)中吸引子的數(shù)值仿真結(jié)果，圖1所示為x-y方向上的Lorenz混沌系統(tǒng)吸引子相圖。
3 基于Lorenz混沌系統(tǒng)的視頻加密算法設(shè)計(jì)
3.1 AVI視頻文件的讀入
利用隨機(jī)采樣到的一段AVI視頻進(jìn)行混沌加密，由于Matlab中只支持ZJmedia Umcompress RGB24編碼方式的AVI視頻文件，因此首先有必要把采集到的這段視頻文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，使其能夠無(wú)障礙地載入到Matlab工具中。利用專業(yè)的轉(zhuǎn)換軟件Winavi進(jìn)行操作，視頻經(jīng)過相應(yīng)的處理之后，讀入到Matlab工具當(dāng)中去。
3.2 視頻加密方案
根據(jù)密碼學(xué)原理，首先要把視頻信息進(jìn)行置亂處理，然后利用混沌系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行擴(kuò)散加密。
利用式(2)中的混沌系統(tǒng)狀態(tài)方程，經(jīng)過離散化之后來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字視頻混沌加密。在驅(qū)動(dòng)響應(yīng)式同步的基礎(chǔ)上，加入信號(hào)后再形成一個(gè)閉環(huán)和反饋，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和響應(yīng)系統(tǒng)有同步信號(hào)，工作原理如圖2所示。
通過在Matlab軟件上編程之后驗(yàn)證可以得到，Lorenz系統(tǒng)完全能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動(dòng)響應(yīng)式同步，其仿真結(jié)果如圖3所示，其中橫坐標(biāo)代表發(fā)送端信號(hào)x(n)，而縱坐標(biāo)則為接收端的信號(hào)x′(n)，從圖中可以看出，二者是嚴(yán)格同步的。
4 Matlab仿真結(jié)果及分析
4.1 仿真結(jié)果
在Matlab7.1的工作平臺(tái)下，按照上文提出的加密方案編寫相應(yīng)的程序?qū)σ曨l文件“original.avi”進(jìn)行加密與解密，Lorenz系統(tǒng)的初始值(x0，y0，z0)取為(0.01，0.02，0.03)，圖4~圖7是加解密的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中圖4顯示的是原始視頻中的最后一幀原始圖像，圖5是最后一幀原始圖像經(jīng)過混沌系統(tǒng)加密后的效果圖，圖6是在系統(tǒng)參數(shù)完全一致以及初始條件(x1，y1，z1)改為(10，20，10)的情況下解密出來(lái)的圖像效果圖，圖7則是修改了系統(tǒng)參數(shù)b為30.000 01之后的效果圖。
4.2 結(jié)果分析
在采用上述加密算法之后，用Matlab仿真工具編程對(duì)“original.avi”進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)，由結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，由于是視頻加密，因此只能分析單一的一幀圖像，如圖5所示，是加密之后最后一幀的圖像，加密效果相當(dāng)不錯(cuò)，完全看不出視頻文件的內(nèi)容。當(dāng)在Lorenz混沌系統(tǒng)初始條件(x0，y0，z0)不同和而系統(tǒng)參數(shù)(a，b，c)完全匹配的情況下，得到解密的最后一幀的圖像如圖6所示，完全和原始圖像一樣，解密效果非常明顯。然后，調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)b，把b的值重新取為30.000 01時(shí)，得到如圖7所示的解密效果圖，解密出來(lái)的圖像已經(jīng)無(wú)法看清了，非常模糊，這說(shuō)明此種加密算法具有很高的安全性，該系統(tǒng)的安全性主要來(lái)自于發(fā)送端與接收端參數(shù)失配的高度敏感性。
根據(jù)以上仿真結(jié)果和分析，混沌本身具有實(shí)現(xiàn)密碼的許多優(yōu)點(diǎn)，其內(nèi)在的帶有確定性的隨機(jī)性和計(jì)算復(fù)雜度低的特點(diǎn)具有很大的吸引力。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者將混沌加密理論應(yīng)用到視頻加密的還不多，主要集中在直接加密方面，沒有利用視頻數(shù)據(jù)本身的特性和選擇性加密的優(yōu)點(diǎn)，沒有很好地結(jié)合視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)方面的研究，因此很難提高其實(shí)用性和實(shí)時(shí)性。將混沌加密與選擇性加密相結(jié)合，是今后混沌保密算法方面一個(gè)重要的發(fā)展方向。