基于Lorenz混沌系統的數字視頻加密技術介紹

近年來，混沌保密及其應用成為了信息安全領域的一個研究重點，特別是混沌數字圖像、語音及視頻加密問題引起了研究者的極大關注。但目前對混沌保密的研究主要局限于數字圖像和語音的加密，而對于有關視頻加密的研究卻非常少，傳統的加密算法如DES、IDEA、Blowfish、RSA等，理論上可以用于數字視頻加密，但上述方法并未考慮到視頻文件的自身特點，勢必會導致文件的結構被破壞,又因為視頻文件的海量特性，上述算法加密的速率無法得到保證。因此研究新的安全性高且加密速度快的視頻加密算法是非常必要的[5-13]。

　　本文提出了用三維Lorenz混沌系統和Matlab仿真工具實現混沌數字視頻加密。利用Matlab工具產生AVI視頻信號，同時，利用混沌序列對初始條件和系統參數非常敏感的特性，采用驅動響應式同步的加密算法方案，對產生的AVI視頻進行加解密，最后通過將混沌序列的初始條件和系統參數進行微弱調整，對仿真結果進行深入分析。

　　1 AVI視頻文件結構特點

　　音頻視頻交錯格式AVI(Audio Video Interleaved)是將語音和影像同步組合在一起的文件格式。它對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AVI文件可以包含多個不同類型的媒體流，它以一系列的位圖來存儲視頻信息，并在文件中加入以數字形式存儲的數字化視頻信息。

　　AVI包含三部分：文件頭、數據塊和索引塊。其中文件頭包括文件的通用信息，定義數據格式及壓縮算法等參數。數據塊包含實際數據流，即圖像和聲音序列數據,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據率乘以該視頻播放的時間長度。索引塊包括數據塊列表和它們在文件中的位置，以提供文件內數據隨機存取能力。

　　2 Lorenz混沌系統與離散化處理

　　使用一個Lorenz混沌系統來進行AVI視頻文件的加密和解密，Lorenz系統的無量綱狀態方程數學表達式為[14]：

　　根據式(1)和式(2)以及上述參數，可以得到Lorenz混沌系統中吸引子的數值仿真結果，圖1所示為x-y方向上的Lorenz混沌系統吸引子相圖。

　　3 基于Lorenz混沌系統的視頻加密算法設計

　　3.1 AVI視頻文件的讀入

　　利用隨機采樣到的一段AVI視頻進行混沌加密，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行轉換處理，使其能夠無障礙地載入到Matlab工具中。利用專業的轉換軟件Winavi進行操作,視頻經過相應的處理之后，讀入到Matlab工具當中去。