基于整數(shù)域混沌的視頻保密通信方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于整數(shù)域混沌的視頻混沌保密通信方法，包括以下步驟：建立6維整數(shù)域離散時間混沌系統(tǒng)；將三個變量迭代后，通過數(shù)字信息加密器轉(zhuǎn)換為二進制的數(shù)字信息；發(fā)送端的信息加密運算；將上述的紅綠藍(lán)三路視頻信號的密文值由發(fā)送端通過信道傳送給接收端；接收端的信息解密。由于采用整數(shù)域混沌系統(tǒng)實現(xiàn)視頻的實時加密和解密，從而解決視頻數(shù)據(jù)運算量大和算法復(fù)雜的問題；由于采用級聯(lián)閉環(huán)原理，發(fā)送端系統(tǒng)與接收端系統(tǒng)具有完全相同的驅(qū)動信號，能實現(xiàn)嚴(yán)格的同步而不受有用信息大小調(diào)劑的影響，在發(fā)送端與接收端參數(shù)匹配的情況下，解密出來的信息具有很高的還原度。
【專利說明】基于整數(shù)域混沌的視頻保密通信方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種視頻混沌加密和解密方法，具體是一種基于整數(shù)域混沌的視頻保 密通信方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)混沌運動是有害的時候，混沌控制被認(rèn)為是通過某些控制手段削弱或消除系統(tǒng) 的混沌行為。然而，并不是所有的混沌行為都是有害的。自從1990的0GY方法被提出之后， 混沌控制成為了研究的熱點。最近的研究顯示，在某些特定的環(huán)境下，混沌運動也是有用處 的。例如，基于混沌的語音，圖像，視頻或其他多媒體數(shù)據(jù)的加密和解密等。因此，近年來系 統(tǒng)混沌化的研究（將原本非混沌的動力系統(tǒng)變?yōu)榛煦缦到y(tǒng)，或增強現(xiàn)有的混沌方式）吸引 了很多學(xué)者的注意。
[0003] 近年在信息安全領(lǐng)域中，無論是傳統(tǒng)基于代數(shù)還是基于混沌的圖像視頻加密技術(shù) 都吸引了很多學(xué)者的關(guān)注。眾所周知，混亂的獨特性質(zhì)，例如正Lyapunov指數(shù)，遍歷性，準(zhǔn) 隨機性，對初始條件和系統(tǒng)參數(shù)敏感的依賴性，令混沌動力學(xué)成為一個可以替代傳統(tǒng)加密 算法的優(yōu)良算法。更重要的是，不同于主要基于離散數(shù)學(xué)的常規(guī)密碼算法，混沌是一個簡單 的確定性系統(tǒng)，并且基于混沌的密碼技術(shù)是依賴于一個非線性系統(tǒng)或映射。在多媒體通過 高速信道傳輸數(shù)據(jù)的時候，信息的高速傳輸和安全性能顯得尤其重要。而混沌密碼技術(shù)正 好為數(shù)據(jù)保護提供了一種快速安全的加密方法。正因如此，近年來，越來越多的人投入到了 圖像和視頻的混沌保密通信研究中。
[0004] 眾所周知，實時的視頻混沌保密通信與靜止的圖像或語音信號混沌保密通信在硬 件實現(xiàn)方面相比較而言，主要困難之處在于需要同時解決實時性要求較高并且數(shù)據(jù)運算量 較大這兩個主要問題，因而視頻混沌加密和解密的硬件實現(xiàn)難度較大。為了解決硬件實現(xiàn) 中的這兩個問題，一方面，我們采用了面向最基本的邏輯單元或門電路操作的非嵌入方法， 從而能夠滿足視頻混沌保密通信對實時性的要求。另一方面，用硬件描述語言處理整數(shù)運 算要比處理實數(shù)運算的速度快、算法簡單并且便于硬件實現(xiàn)。而現(xiàn)有的離散或連續(xù)時間混 沌系統(tǒng)都是基于實數(shù)域運算的，故存在視頻數(shù)據(jù)運算量大和算法復(fù)雜，從而出現(xiàn)運算速度 較慢的缺陷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決上述不足，本發(fā)明提供一種運算速度快且解密準(zhǔn)確度高的基于整數(shù)域混沌 的視頻保密通信方法。
[0006] 基于整數(shù)域混沌的視頻保密通信方法，包括以下步驟：
[0007] A?建立一個6維整數(shù)域離散時間混沌系統(tǒng)，動力學(xué)方程如下：
[0008]

【權(quán)利要求】
1.基于整數(shù)域混沌的視頻保密通信方法，其特征在于：包括以下步驟： A.建立一個6維整數(shù)域離散時間混沌系統(tǒng)，動力學(xué)方程如下：
式中k = 1，2, "·，Μ,…為迭代次數(shù)，[χ,⑷」，+ (/ = U,…，6)表示對變量XiQO和 Xi(k+1)向下取整；ε1= 224, σ1= 2· 3Χ108，ε2= 225,〇2= 3· 2Χ108，ε 3 = 226,〇3 = 5. OX IO8;式中參數(shù)OijIj = 1，2, 3, 4, 5, 6)的大小為
B.隨著k的增力卩，利用上述建立的6維整數(shù)域離散時間混沌系統(tǒng)，選取 X1 (k)，x2 (k)，x3 (k)，將發(fā)送端的信息加密器的三個變量X1 (k)，x2 (k)，x3 (k)定義為 ，才"(幻，6維整數(shù)域離散時間混沌系統(tǒng)中的其它參數(shù)與其類同；將接收端的信 息解密器的三個變量X1 (k)，X2 (k)，X3 (k)分別定義為χ?！?), fW. 4從），6維整數(shù)域離散時 間混沌系統(tǒng)中的其它參數(shù)與其類同，將三個變量迭代后，通過數(shù)字信息 加密器轉(zhuǎn)換為二進制的數(shù)字信息； C.發(fā)送端的信息加密運算：對采集視頻的紅綠藍(lán)三基色分別進行按位異或操作，得到 紅綠藍(lán)三路視頻信號的密文值： = mod([xw,(fc) |,16}φmk) ,[_/，:(*)一=師崎亡私| , 16)Φ G'(A), L/，,(A)」=mod(卜，其中xf W，xf W ? xf W表示紅綠藍(lán)的像素值，16表 示一個像素點紅綠藍(lán)分別所占的位數(shù)為4位； D.將上述的紅綠藍(lán)三路視頻信號的密文值由發(fā)送端通過信道傳送給接收端； E.接收端的信息解密：利用整數(shù)域混沌加密的逆運算對接收到的紅綠藍(lán)三路視頻信 號的密文值進行解密操作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于整數(shù)域混沌的視頻保密通信方法，其特征在于：所述步 驟D中，所述發(fā)送端中，將紅綠藍(lán)三路視頻信號的密文值P1 (k)，p2 (k)，p3 (k)作為反饋控制 變量作用到數(shù)字信息加密器的六維驅(qū)動系統(tǒng)的方程上，得到數(shù)字信息加密器的六維驅(qū)動系 統(tǒng)的狀態(tài)方程如下：
同理，對于數(shù)字信息解密器作為數(shù)據(jù)接收端而言，將紅綠藍(lán)三路視頻信號的密文值P1 (k)，P2 (k)，P3 (k)作為反饋控制變量作用到接收端的數(shù)字信息解密器的六維響應(yīng)系統(tǒng)的 方程上，得到如下數(shù)字信息解密器的六維響應(yīng)系統(tǒng)的狀態(tài)方程如下：
* 接收端解密后的信號為 ^ \i_. J / - · ~
\L J ! ·>L- - J ' 當(dāng)發(fā)送端與接收端的參數(shù)匹配時，兩個整數(shù)域混沌系統(tǒng)實現(xiàn)同步，滿足以下各個條 件： Li-rttij-L-'rwj，[Cwj， 得m〇d(L.vrw」！6卜m〇d{|_.cw?叫，hioq([x：'(1)^. 16)-mod([.YVr'(l) .Id),moil|[xr{A-)j,ift) - lf>);根據(jù)上式，得R(k) =R(k)， d(i) =G(i),歲*)=樹*),在接收端，正確地解密出原視頻圖像。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于整數(shù)域混沌的視頻保密通信方法，其特征在于： A.建立六維離散混沌系統(tǒng)動力學(xué)方程：
B. 對上述六維離散混沌動力學(xué)方程中A矩陣進行三步變換處理，即乘以2n、四舍五入 取整和除以2n，其中η表示移位的位數(shù)，其大小可根據(jù)精度要求而定。選取η= 8,得變換 處理后的矩陣為
其中r〇und[·]為進行四舍五入處理。從變換后的矩陣得所有元素均正整數(shù)的變換矩 陣為
C. 用步驟B中的矩陣Ψ替代離散混沌動力學(xué)方程中的矩陣A，并對模函數(shù)進行28倍 的擴張變換，最后對所有變量進行28倍的壓縮變換和整數(shù)化處理后，得整數(shù)域混沌系統(tǒng)為
其中floor[ ·]表示向下取整，即
式中k= 1，2, "'M,…為迭代次數(shù)，+ (/ =H·.6)表示對變量XiOO和Xi(k+1)向下取整。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于整數(shù)域混沌的視頻保密通信方法，其特征在于：所述步 驟D中，對紅綠藍(lán)三路視頻信號的密文值的傳送方式為：加密傳送傳輸視頻中的一個像素 信息，傳送一個像素信息。
【文檔編號】H04L9/00GK104320241SQ201410336407
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年7月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月16日
【發(fā)明者】陳仕坤, 禹思敏 申請人:廣東工業(yè)大學(xué)