基于二维指数-正弦超混沌系统的视频流加密系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于二维指数‑正弦超混沌系统的视频流加密系统，包括构建2D‑ES超混沌系统和利用2D‑ES超混沌系统对视频信息进行混沌加密算法，基于2D‑ES超混沌系统的视频流加密算法，包括如下步骤：首先对视频流数据进行逐帧提取；再对提取后的帧图像数据进行RGB多通道提取；之后对抽取出的单通道图像数据进行混沌加密；将加密后的单通道图像数据重写回图像当中；在上述加密步骤结束后，将加密后的帧图像重新拼接为加密视频流。本发明专利技术基于2D‑ES超混沌系统的视频流加密算法具有较高的密码安全性和较好的实际应用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于二维指数-正弦超混沌系统的视频流加密系统
本专利技术涉及信息安全
，具体涉及基于二维指数-正弦超混沌系统的视频流加密系统。
技术介绍
伴随5G时代的到来，越来越多的人际间交流迁移到了线上进行。例如视频商业谈判，公司内部视频会议等。而随着线上视频会议的增多，导致部分网络黑客出于经济利益诱惑，开始窃取互联网中传输的视频数据内容，并以此来获得不法收益。因此，为了保护公司及个人的隐私以及信息安全，对于视频加密的需求越来越大。但是目前的视频加密算法普遍存在着加密过程复杂，耗时较长等缺点。对一些要求能够进行实时加密传输的领域，现有加密算法并不能满足其要求。而随着Matthews等人将混沌系统应用于信息加密领域当中后，混沌加密算法便引起了研究人员的注意。到目前为止，已有多种一维混沌系统被应用于了信息加密领域。上述一维混沌系统多数具有迭代速度快、实现方法简单等特点。但是由于一维混沌系统的系统控制参数较少，相空间轨道分布较为单一，因此极易受到相空间重构等方法的攻击，从而导致密文被恶意破解。研究者为了克服一维混沌系统的缺点，提出了一系列的改进方案，例如：有研究者将一维混沌系统的多个控制参数间进行耦合操作，从而使得整个系统的混沌性质变得更加复杂。也有研究者将多个一维混沌映射整合为一个系统，整个加密过程中在不同混沌系统间进行切换或级联操作。通过上述方法，可以使得一维混沌系统具有更好的迭代效率和不可预测性。与此同时，也有研究者尝试通过构建复数域上的一维混沌系统来对信息进行加密，以期获得更好的混沌特性与加密效果。尽管目前通过上述改进手段提高了一维混沌系统的信息加密强度，但是，受限于一维混沌系统自身的结构与参数特点，其信息加密强度仍然有待提高。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术目的在于针对现有视频加密算法中系统控制参数较少，相空间轨道分布较为单一，极易受到相空间重构等方法的攻击，从而导致密文被恶意破解的问题，提供一种基于二维指数-正弦超混沌系统的视频流加密系统，该系统在加密视频流时，具有密钥空间大，加密效果好的特点。技术方案：本专利技术通过向一维正弦混沌映射系统中引入非线性指数项和高次幂项来对一维混沌系统进行维度提升，被引入的非线性指数项和高次幂项作为混沌扰动源来对正弦混沌映射的迭代过程进行扰动。通过上述方法，构建出了一个新的二维指数-正弦超混沌系统，对该系统的混沌特性进行研究，发现该系统具有超混沌特性，相空间轨道分布结构复杂，在该系统的基础上，提出了一套视频加密算法。一种基于二维指数-正弦超混沌系统的视频流加密系统，包括构建2D-ES超混沌系统和基于2D-ES超混沌系统的视频流加密算法；所述2D-ES超混沌系统的迭代公式，如公式(1)所示：其中，控制参数a,b满足a∈[0,0.4],b∈[0,1.7]，初始值x0,y0满足x0∈[0,1]，y0∈[0,2]时，系统处于超混沌状态；基于2D-ES超混沌系统的视频流加密算法，包括如下步骤：1)首先对视频流数据进行逐帧提取；2)再对提取后的帧图像数据进行RGB多通道提取；3)之后对抽取出的单通道图像数据进行混沌加密；4)将加密后的单通道图像数据重写回图像当中；5)在上述加密步骤结束后，将加密后的帧图像重新拼接为加密视频流。进一步的，对抽取出的单通道图像数据进行混沌加密时，采用了“置乱-扩散-置乱”的加密策略；所述混沌加密的步骤包括第一轮置乱加密、扩散加密和第二轮置乱加密。进一步的，所述第一轮置乱加密，包括如下步骤：步骤1)：在对所述单通道图像数据进行置乱操作时，首先利用2D-ES超混沌系统生成离散数据序列(xn,yn)，设置初始值(x0,y0)＝(0.74,1.38)，控制参数(a,b)＝(0.15,1.27)；迭代轮次为M*N+5000，其中M，N为所述单通道图像数据的宽、高值，将序列中前5000点数据废弃不用；在完成上述操作后，对生成的离散数据序列(xn,yn)进行去重处理，将去重后的xn序列作为图像置乱的行坐标，yn序列作为图像置乱的列坐标，来对单图像数据进行空间置乱操作；具体置乱操作如公式(2)所示：p(xi,yj)＝p'(xni,ymj)(2)步骤2)：在完成了上述操作后，将从步骤1)中获得的置乱后的单通道图像数据p沿列方向展开为一维序列数据；再利用由如下初始值(x0,y0)＝(0.15,1.7)与控制参数(a,b)＝(0.23,1.5)构成的2D-ES超混沌系统生成的用于第一轮加密的离散加密序列，来对空间置乱后的单通道图像数据p进行加密；2D-ES超混沌系统生成的离散加密序列(xn,yn)长度为M*N+10000，其中M，N为所述单通道图像数据的宽、高值，将序列中前8000点数据废弃不用；步骤3)：先将所述单通道图像数据进行坐标置乱后得到数据图像Q，再将步骤2)中获得的离散加密序列(xn,yn)与图像数据Q进行双螺旋加密，具体双螺旋加密如公式(3)所示：其中xn-1,yn-1由离散序列xn,yn逆序排列得到，Q'为加密后的单通道图像数据；通过上述步骤，即可完成第一轮置乱加密操作，得到第一轮置乱加密后的单通道图像数据Q'。进一步的，所述扩散加密，包括如下步骤：步骤1)：首先计算待加密明文单通道数据的平均像素值M，再对该平均值进行归一化操作，使其处于0～1的取值范围内，再将该归一化后的像素均值M‘作为2D-ES超混沌系统的x0初始值，并设Ky0初始值为1.5，此时控制参数(a,b)＝(0.25,1.5)，经过M*N+10000轮迭代后，其中M，N为所述单通道图像数据的宽、高值，抛弃前8000个数据点，获得扩散序列(Kxn,Kyn)；步骤2)：将经过第一轮置乱加密后的单通道数据Q'沿列方向展开为一维序列数据；再与步骤1中所获得的扩散序列(Kxn,Kyn)进行双螺旋扩散加密操作，具体扩散加密公式如公式(4)所示：其中xn-1,yn-1由离散序列Kxn,Kyn逆序排列得到，G为扩散加密后的密文数据；通过上述步骤，完成对第一轮置乱加密后的加密数据Q'的扩散操作，得到扩散加密后的密文数据G。进一步的，所述第二轮置乱加密，即对扩散加密后得到的密文数据G进行置乱加密，包括如下步骤：首先利用2D-ES超混沌系统生成离散数据序列(xn,yn)，设置初始值(x0,y0)＝(0.74,1.38)，控制参数(a,b)＝(0.15,1.27)，迭代轮次为M*N+5000，其中M,N为单通道图像数据的宽、高值，将序列中前9000点数据废弃不用；在完成上述操作后，对生成的离散数据序列(xn,yn)进行去重处理，将去重后的xn序列作为图像置乱的行坐标，yn序列作为图像置乱的列坐标，来对单通道图像数据进行空间置乱操作，具体置乱操作如公式(2)所示；p(xi,yj)＝p'(xni,ymj)(2)通过上述步骤，即可完成第二轮置乱加密操作。进一步的，利用2D-ES超混沌系统对视本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于二维指数-正弦超混沌系统的视频流加密系统，其特征在于，包括构建2D-ES超混沌系统和基于2D-ES超混沌系统的视频流加密算法；/n所述2D-ES超混沌系统的迭代公式，如公式(1)所示：/n

【技术特征摘要】
1.一种基于二维指数-正弦超混沌系统的视频流加密系统，其特征在于，包括构建2D-ES超混沌系统和基于2D-ES超混沌系统的视频流加密算法；
所述2D-ES超混沌系统的迭代公式，如公式(1)所示：



其中，控制参数a，b满足a∈[0，0.4]，b∈[0，1.7]，初始值x0，y0满足x0∈[0，1]，y0∈[0，2]时，系统处于超混沌状态；
基于2D-ES超混沌系统的视频流加密算法，包括如下步骤：
1)首先对视频流数据进行逐帧提取；
2)再对提取后的帧图像数据进行RGB多通道提取；
3)之后对抽取出的单通道图像数据进行混沌加密；
4)将加密后的单通道图像数据重写回图像当中；
5)在上述加密步骤结束后，将加密后的帧图像重新拼接为加密视频流。


2.根据权利要求1所述的基于二维指数-正弦超混沌系统的视频流加密系统，其特征在于，对抽取出的单通道图像数据进行混沌加密时，采用了“置乱-扩散-置乱”的加密策略；所述混沌加密的步骤包括第一轮置乱加密、扩散加密和第二轮置乱加密。


3.根据权利要求2所述的基于二维指数-正弦超混沌系统的视频流加密系统，其特征在于，所述第一轮置乱加密，包括如下步骤：
步骤1)：在对所述单通道图像数据进行置乱操作时，首先利用2D-ES超混沌系统生成离散数据序列(xn，yn)，设置初始值(x0，y0)＝(0.74，1.38)，控制参数(a，b)＝(0.15，1.27)；迭代轮次为M*N+5000，其中M，N为所述单通道图像数据的宽、高值，将序列中前5000点数据废弃不用；
在完成上述操作后，对生成的离散数据序列(xn，yn)进行去重处理，将去重后的xn序列作为图像置乱的行坐标，yn序列作为图像置乱的列坐标，来对单图像数据进行空间置乱操作；具体置乱操作如公式(2)所示：
p(xi，yj)＝p′(xni，ymj)(2)
步骤2)：在完成了上述操作后，将从步骤1)中获得的置乱后的单通道图像数据p沿列方向展开为一维序列数据；
再利用由如下初始值(x0，y0)＝(0.15，1.7)与控制参数(a，b)＝(0.23，1.5)构成的2D-ES超混沌系统生成的用于第一轮加密的离散加密序列，来对空间置乱后的单通道图像数据p进行加密；2D-ES超混沌系统生成的离散加密序列(xn，yn)长度为M*N+10000，其中M，N为所述单通道图像数据的宽、高值，将序列中前8000点数据废弃不用；
步骤3)：先将所述单通道图像数据进行坐标置乱后得到数据图像Q，再将步骤2)中获得的离散加密序列(xn，yn)与图像数据Q进行双螺旋加密，具体双螺旋加密如公式(3)所示：



其中xn-1，yn-1由离散序列xn，yn逆序排列得到，Q′为加密后的单通道图像数据；
通过上述步骤，即可完成第一轮置乱加密操作，得到第一轮置乱加密后的单通道图像数据Q′。


4.根据权利要求3所述的基于二维指数-正弦超混沌系统的视频流加密系统，其特征在于，所述扩散加密，包括如下步骤：
步骤1)：首先计算待加密明文单通道数据的平均...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘思聪，彭淑燕，
申请(专利权)人：江苏经贸职业技术学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32