由于缺少安全措施來保證多媒體數(shù)據(jù)的安全性，多媒體用戶間傳遞的信息是有風(fēng)險的，尤其是通過公用網(wǎng)絡(luò)（如Internet）處理敏感信息時，那么提供可靠的安全措施是必須的、十分迫切的。近年來，隨著混沌理論在安全通信方面得到了廣泛的研究，接下來，我給大家介紹一種基于混沌理論的H.264編碼的實時加密技術(shù)。

一、Logistic原理說明

Logistic映射是一維離散混沌系統(tǒng)，運算速度快，方程反復(fù)迭代可以產(chǎn)生較好的混沌序列。產(chǎn)生的混沌序列對初始狀態(tài)和系統(tǒng)參數(shù)極其敏感。Logistic映射的定義為：

其中，控制參數(shù)u介于（0，4），x（n）在（0，1）之間，Logistic映射的大量研究已經(jīng)表明，當(dāng)u達(dá)到極限值，即u=3.5699456時，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)解周期為∞。當(dāng)3.5699456<u≤4時，Logistic映射呈現(xiàn)混沌狀態(tài)，所以為了實現(xiàn)混沌態(tài)，在實際應(yīng)用時，u的取值范圍應(yīng)設(shè)定為：

二、H.264編碼原理說明

H.264編碼器的實現(xiàn)如圖所示。

H.264編碼器仍然使用變換域預(yù)測的混合編碼。輸入的幀或場Fn以宏塊為單位被編碼器處理。首先按幀內(nèi)或幀間預(yù)測編碼的方法進(jìn)行處理。采用幀內(nèi)編碼時，其預(yù)測值PRED是由當(dāng)前片中前面已編碼的參考圖像經(jīng)MC，運動補(bǔ)償，后得出的，其中參考圖像用Fn-1’表示。預(yù)測值PRED與當(dāng)前塊相減，產(chǎn)生的殘差塊Dn經(jīng)量化、變化后產(chǎn)生一組量化后的變換系數(shù)X，再經(jīng)熵編碼（與解碼所需的一些頭信息）如預(yù)測模式量化參數(shù)、運動矢量等，一起組成一個壓縮后的碼流，經(jīng)NAL，網(wǎng)絡(luò)提取層，供傳輸與存儲使用。

三、加密算法設(shè)計

1、Logistic混沌序列的產(chǎn)生

用Logistic映射公式對x（n）進(jìn)行m次迭代，生成混沌序列。

序列產(chǎn)生：

1）取x（i）=0.x（i）1x（i）2x（i）3x（i）4…x（i）k-2x（i）k-1x（i）k，取初值i=0。

2）令m（i）=∑x（i）j，m_av（i）=m（i）/k。

3）對x（i）進(jìn)行Logistic映射，迭代m（i）次，記錄x_record（i）=x（m（i）），令x_record（i）小數(shù)點后的位序列為x_record（i）1x_record（i（2））x_record（i）k。在（1）k，范圍內(nèi)，對任意i，若（i-1）%m_av（i）=0成立，記錄x_seq，16*i-16+j，= x_record（i）j，令m（i+1）=∑x_record（i）k（m_av（1）=m（1）/（k/m_av（0））i=i+1。

4）重復(fù)上述步驟3，至n=128止。

2、視頻加密實現(xiàn)

輸入YUV，亮度和色差信號，測試序列，把視頻圖像分成若干N×N大小的塊，對每塊進(jìn)行DCT，離散余弦變換，變換和量化，得到DCT量化系數(shù)矩陣分別為DCT_COEFF_DC和DCT_COEFF_AC，在輸入到輸出碼流前，用混沌序列對預(yù)測模式進(jìn)行加密，在本文中，選擇的加密部分為：

（1）對亮度塊預(yù)測模式進(jìn)行加密。

（2）對運動矢量差分值進(jìn)行加密。

（3）對色度塊預(yù)測模式進(jìn)行加密。

（4）對殘差塊相關(guān)信息進(jìn)行加密。

3、亮度塊預(yù)測模式加密

本文中主要對幀內(nèi)預(yù)測模式進(jìn)行加密，對亮度信號而言，預(yù)測塊P用4×4子塊或者16×16宏塊的相關(guān)操作，4×4亮度子塊有9種可選預(yù)測模式，獨立預(yù)測每個4×4的亮度子塊，16×16亮度塊有4種預(yù)測模式，用以預(yù)測整個16×16亮度塊，色度塊也有4種預(yù)測模式，類似于16×16亮度塊預(yù)測模式。

在H.264碼流中，對于每個4×4塊，用1比特prev_intra4×4_pred_mode標(biāo) 志 和3比 特rem_intra4×4_pred_mode信息表示預(yù)測信息，當(dāng)pred_intra4×4_pred_mode=1時表示使用最可能的預(yù)測模式，pred_intra4×4_pred_mode=0，表示使用參數(shù)rem_intra4×4_pred_mode指明的信息，在這里我們對rem_intra4×4_pred_mode為3的比特信息直接進(jìn)行加密。

對于16×16的亮度模塊，其幀內(nèi)預(yù)測模式分別用0~3表示，故可知，在寫入H.264比特流中的信息中，其包含2比特的信息，我們可以用Logistic映射產(chǎn)生的位序列元素直接對其進(jìn)行加密。

4、色度塊預(yù)測模式加密

對于色度塊的預(yù)測模式intra_chroma_pred_mode，也有四種情況分別用0~3表示，其采用Exp-golomb的ue（v）方式進(jìn)行編碼，鑒于ue（v）編碼的特殊性，為保證格式的兼容，我們不對整個碼字進(jìn)行加密而只是加密其模式1和模式2。由于模式1和模式2的變長碼字分別為：010和011，因此在用Logistic映射產(chǎn)生的位序列元素對其進(jìn)行加密時直接加密其最后一位。

5、MVD（運動矢量差分）的加密實現(xiàn)

MVD采用Exp-golomb的se（v）方式進(jìn)程編碼，代表實際信息的k bit后綴對于任意k個bit的組合都是有效的。在本文中我們用Logistic映射序列直接對該碼字的后綴suffix進(jìn)行加密。

6、CAVLC熵編碼加密

CAVLC（基于上下文的自適應(yīng)的可變長編碼），用于亮度和色度殘差數(shù)據(jù)的編碼。在CAVLC中，上下文模型的選擇主要體現(xiàn)在兩個方面，非零系數(shù)編碼所需表格的選擇及拖尾系數(shù)后綴的更新。CAVLC編碼涉及到，對非零系數(shù)數(shù)目，TotalCoeffs，以及拖尾系數(shù)數(shù)目（TrailingOnes）的編碼，每個拖尾系數(shù)的符號的編碼，除拖尾系數(shù)之外的非零系數(shù)的幅值（Levels）的編碼，最后一個非零系數(shù)的前零數(shù)目的編碼，每個非零系數(shù)的前零個數(shù)的編碼。

本文根據(jù)H.264 CAVLC加密算法及特征提出了一種基于Logistic混沌映射的實時加密算法。通過基于混沌映射提供的巨大的加密序列，基于編碼特征有選擇地對編碼進(jìn)行加密，滿足了一定的安全性和實時性的要求，且本文提出的算法簡單，對視頻的壓縮比并沒有影響。

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