基于混沌理論的多層次視頻流加密方法，此方法由于采用多層次的混沌迭代，因而達(dá)到了使密鑰實(shí)時(shí)改變的目的，極大地提高了保密性能。那么接下來(lái)，我就給大家詳細(xì)的介紹一下。

一、基于混沌理論的多層次變密鑰視頻加密算法介紹

1、基于混沌理論的多層次變密鑰視頻加密算法的主要思想

當(dāng)前，混沌可以用來(lái)做數(shù)據(jù)加密的事實(shí)已為越來(lái)越多的研究者所知，各式各樣的加密算法也在不斷涌現(xiàn)。這樣做的理論依據(jù)是混沌行為具有三個(gè)特征：

1）貌似隨即的特性；

2）對(duì)初始條件和控制參數(shù)的敏感性；

3）有界性。

在這里，我們采用時(shí)域有限的非線性函數(shù)來(lái)實(shí)時(shí)改變密鑰，并對(duì)明碼序列進(jìn)行多層次混沌掩蓋處理。

2、 基于混沌理論的多層次變密鑰視頻加密算法描述

(1) 框圖建立

加密過(guò)程見(jiàn)圖1，采用了四個(gè)不同的混沌算法，分別為：

CM1、CMz、CM3、CM4，它們的表達(dá)式分別為(1)、(2)、(3)、(4)。

注floor(x)取x的整數(shù)部分；round（x）取x最接近的整數(shù)；

由圖1可知，CM1和CM2的輸出相加得到R，R的取值范圍應(yīng)為[0，2），而CM3和CM4的輸入范圍應(yīng)為[0，256]，為了滿足要求，其中必須加入一步數(shù)值放大器，其輸人為R，輸出
為I：

（2）密鑰生成

這里，初始條件X0(1)、X0(2)和參數(shù)a、λ作為種子，其取值是固定不變的，它們用來(lái)生成混沌掩碼序列所需要的密鑰I，隨著CM1和CM2的不斷迭代，密鑰也在不斷變化，這正是本加
密思想的精髓所在?？梢?jiàn)，X0(1)、X0(2)、a、λ這四個(gè)輸入值對(duì)于信息保密是至關(guān)重要的。

我們采用八個(gè)字節(jié)的比特流來(lái)表示初始狀態(tài)，假設(shè)這八個(gè)字節(jié)分別為B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8，則四個(gè)初始狀態(tài)將會(huì)表示為：

考慮到這四個(gè)狀態(tài)的取值范圍分別為：o<X0(1)，a≤1；λ> 1;0<X0(2)<1：如果(6)中有任何一個(gè)等式的計(jì)算結(jié)果不滿足條件時(shí)，解決辦法是取其倒數(shù)。

（3） 加密流程

1）產(chǎn)生混沌掩碼

對(duì)于CM3和CM4的每一個(gè)輸入I，CM3和CM4分別進(jìn)行64次迭代運(yùn)算。因?yàn)樗鼈兊妮敵鼋Y(jié)果都是[O，256]范圍內(nèi)的整數(shù)，所以共產(chǎn)生512bits的混沌掩碼序列。

2）選擇加密

加密的主要方式是利用上一步產(chǎn)生的掩碼序列，對(duì)需要加密的數(shù)據(jù)進(jìn)行異或運(yùn)算。但是，在這里，由于加密的對(duì)象是視頻信息，數(shù)據(jù)量龐大，而且要求實(shí)時(shí)性，所以不可能對(duì)全部的視頻數(shù)據(jù)都進(jìn)行加密處理，只對(duì)其中的關(guān)鍵性數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

我們要加密的對(duì)象是H．263編碼序列中的I幀（幀內(nèi)編碼）和P幀（幀間編碼）中經(jīng)過(guò)離散余弦變換后產(chǎn)生的DC系數(shù)，以及P幀中通過(guò)運(yùn)動(dòng)估值算法產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)矢量(MV)和殘差值。加密時(shí)，原始數(shù)據(jù)先與CM3中產(chǎn)生的521bits混沌序列進(jìn)行異或運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果再與CM4產(chǎn)生的另外512bits進(jìn)行第二次異或運(yùn)算，這樣通過(guò)多次運(yùn)算使加密更徹底，從而增加破解難度。

3）密鑰轉(zhuǎn)換

在C'M3和CM4分別進(jìn)行64次迭代運(yùn)算完畢之后，CM1和CM2同時(shí)進(jìn)行一次迭代，輸出的結(jié)果使，的值發(fā)生變化，從而改變CM3和CM4的初始條件，也就是改變密鑰，這樣CM3和CM4再迭代64次得出的512bits混沌序列將會(huì)呈現(xiàn)完全不同的運(yùn)動(dòng)行為。從而極大的增加了破解難度。

3、算法推廣

通過(guò)加快密鑰的變換頻率、增加加密運(yùn)算的層次，以及選擇更多的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行加密都可以進(jìn)一步增加系統(tǒng)的保密性。圖2所示為三層混沌序列加袒的流程圖。

二、基于混沌理論的多層次變密鑰視頻加密算法實(shí)現(xiàn)

加密對(duì)象：YUV(4:2:0)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試序列經(jīng)過(guò)H．263壓縮編碼后的數(shù)據(jù)流。所謂YUV測(cè)試序列是指由一些權(quán)威機(jī)構(gòu)提供的用于編碼測(cè)試的YUV格式的視頻序列，比較常用的有：Forernan. yuv、News. yuv、claire. yuv、grandma. yuv、salesman、yuv等等，我們用的是前面兩個(gè)。

加密工具：Visual C++編程語(yǔ)言、DirectShow開(kāi)發(fā)工具。

加密結(jié)果如圖3所示。

結(jié)果分析：

1）加密效率分析

我們這里選用的兩種視頻序列具有截然不同的運(yùn)動(dòng)特征：Forcman更加動(dòng)態(tài)，而News偏向于靜態(tài)。之所以這樣選擇，目的是試圖分析這種加密方法對(duì)于不同的加密對(duì)象的加密效率如何。測(cè)試加密效率的方法之一就是用視頻壓縮所用的時(shí)間與加密時(shí)間作對(duì)比，如果加密時(shí)間只占?jí)嚎s時(shí)間很小的比例，那么就可以說(shuō)明我們的加密算法不會(huì)引起視頻傳輸?shù)妮^大時(shí)延，具有可以信賴的加密效率。

我們分別選用100幀和300幀的原始序列進(jìn)行測(cè)試，而且測(cè)試序列采用的格式分別為Cif和Qicf.結(jié)果如表1所示。

注：Tec、Tdc分別為原始視頻序列用H 263編碼和解碼所用的時(shí)間。

Tecc、Tdcc分別為原始視頻序列用H 263編碼、加密以及解碼、解密所用的總時(shí)間。

由表1可知，加解密時(shí)間與編解碼時(shí)間相比，只占很小的比例，完全可以滿足實(shí)時(shí)視頻交互的要求。

2）保密性能分析

在我們提出的視頻文件加密框圖中，如果沒(méi)有CM1，CM2，那么通過(guò)一些密碼分析方法來(lái)重新構(gòu)造CM3，CM4從而到達(dá)解密的目的是可能的。

但是，由于這里使用了多層次的加密方法，使得CM3、CM4的狀態(tài)實(shí)時(shí)改變，這樣，即使通過(guò)一些知道部分明文( known-p laintcxt)的攻擊方法得到CM3、CM4的輸入I也很難推算出最初始的輸入X0(1)、X0(2)、a、λ。因?yàn)镮是CM1、CM2的輸出相加的結(jié)果，要想得到這兩個(gè)加數(shù)各自的值非常困難。

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