基于攝像頭采集的混沌視頻加密研究

摘要 實(shí)時(shí)視頻采集、存儲和處理，已在各領(lǐng)域得到廣泛應用。文中介紹了基于FPGA的視頻采集系統設計的總體框架，并闡述了其中的設計流程，利用混沌信號對數據進(jìn)行加密提高視頻數據的安全性。在DE2平臺下驗證實(shí)，文中設計的FPGA視頻采集系統完成了對實(shí)時(shí)視頻進(jìn)行混沌加密，實(shí)驗結果表明，設計達到了初定的目標，加密的性能和效果能滿(mǎn)足應用需要。
關(guān)鍵詞 視頻采集；FPGA；混沌加密；乒乓控制

實(shí)時(shí)視頻采集、存儲和處理已經(jīng)在得到廣泛應用，如遠程監控、安防、工程控制、醫療器械等。通常情況下，用CCD或CMOS采集視頻，而得到的都是模擬視頻信號，直接進(jìn)行傳輸、存儲和處理比較困難，因此必須將其轉換為數字視頻信號。文中采用視頻解碼芯片和現場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA設計的實(shí)時(shí)圖像采集系統，不僅可以有效地縮短研發(fā)周期，而目可以廣泛應用于圖像識別、網(wǎng)絡(luò )視頻傳輸和實(shí)時(shí)監控等各類(lèi)圖像信息處理系統。
此外，考慮到該設計的視頻采集系統可以投入后續的一些應用，如網(wǎng)絡(luò )視頻或視頻會(huì )議等。信息安全對于本系統較為重要，要求本系統應該具有一定的數據保密功能。由于目前許多加密算法的結構復雜、運算量大，對于視頻采集這種實(shí)時(shí)性要求較高的數據流而言難以達到速度要求，因此，文中設計的系統選擇了—種加密效果良好，且易于硬件實(shí)現的混沌算法以對視頻數據進(jìn)行加密。

1 混沌加密實(shí)現原理
1．1 混沌加密原理
混沌信號用于數據保密通信中有多種形式，究其根底混沌保密是利用混沌信號的各種特性實(shí)現的。在數據的發(fā)送端將其作為密鑰明文信息和混沌信號經(jīng)加密變換后形威密文，然后在信道中傳送，在接收端合法用戶(hù)知道解密密鑰和解密變換因此能夠得到正確的明文。這種加密原理主要源于傳統的對稱(chēng)密鑰加密算法。
目前常用于加密的混沌同步方法主要有：驅動(dòng)一響應同步及串聯(lián)同步法、主動(dòng)一被動(dòng)同步方法、互耦合混沌同步法。自適應同步方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )同步方法等。傳統的混沌加密算法首先需要產(chǎn)生混沌信號，混沌信號的產(chǎn)生要求較高。首先硬件要支持浮點(diǎn)運算，并且需要迭代一定次數才能產(chǎn)生混沌，所以占用硬件資源較大；相比較而言，本設計為實(shí)現視頻加密所采用的二維貓映射混沌加密算法和擴散算法，不會(huì )帶來(lái)信號失真，運算復雜度低，易于硬件的實(shí)現，加密效果較好。
1．2 貓映射加密算法
貓映射的數學(xué)表達式為

其中，modl表示只取實(shí)數的小數部分。為將貓映射用于加密，需要對它進(jìn)行適當處理，首先將貓映射擴展到N×N，并進(jìn)行離散化，如式(3)所示。

在實(shí)際圖像貓映射加密中，為讓圖像加密效果更理想，需要經(jīng)過(guò)n次迭代計算完成n階貓映射算法。需要說(shuō)明的是，應用貓映射算法加密的圖像必須是正方形，否則會(huì )產(chǎn)生像素混疊導致解碼失敗。因此，模運算的N表示圖像寬度。
1．3 擴散算法
擴散算法的數學(xué)表達式為

其中，f(xk，yk)，f(xk+1，yk)，f(xk+2，yk)，f(xk+3，yk)表示一行中的連續4個(gè)像素值。進(jìn)行模256的算法是為了使經(jīng)過(guò)擴散運算后的結果范圍在[0，255]內，保證運算結果仍為8位。此外，由于B矩陣中的元素都是整數，對于不支持浮點(diǎn)數運算的硬件平臺來(lái)說(shuō)，比較容易實(shí)現。

2 視頻采集系統的設計
此次設計采用的FPGA核心芯片是Altera公司CycloneII系列，型號EP2C35F672C。此型號芯片含有33 216個(gè)邏輯單元，內置483 840bit的內部RAM容量，其中包括105個(gè)M4K RAM模塊，35個(gè)內嵌乘法器，4個(gè)PLL和475個(gè)I／O管腳。