[發明專利]一種基于級聯混沌技術的視頻圖像加密方法

有效

• 申請號: 202011130858.1
• 申請日: 2020-10-21
• 公開（公告）號: CN112511899B
• 公開（公告）日: 2022-05-24
• 發明（設計）人: 袁方;金元;李玉霞
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: H04N21/4408
• 分類號: H04N21/4408;H04N21/4405;H04L9/00;H04L9/08;G06F21/60;G06F21/62
• 代理公司: 杭州昱呈專利代理事務所(普通合伙) 33303
• 代理人: 雷仕榮

1.一種基于級聯混沌技術的視頻圖像加密方法：其特征在于，所述方法包括：

步驟S1、利用級聯混沌映射構建密鑰空間；

步驟S2、直接讀取計算機磁盤中已有的視頻文件，或者調用攝像頭采集視頻圖像，獲取其每一幀的圖像序列，對原圖像進行壓縮，得到大小為M×M的圖像，記為明文序列Y^M×M；視頻圖像的加密需要對圖像按通道進行分解,獲取R、G、B三個通道的分量，分別記為RY^M×M、GY^M×M、BY^M×M；

步驟S3、通過對步驟S2獲取的視頻圖像分量序列進行置亂，擴散等操作完成加密流程；

步驟S4、對步驟S3生成的密文分量進行逆擴散置亂恢復等操作完成解密流程；

所述步驟S1進一步包括以下步驟：

步驟S11、一維平方映射為：式中：a和b為控制參數，a∈[5,+∞]，b∈[-1,1]；x∈[-1,1]；logistic混沌映射為：x_n+1＝ux_n(1-x_n)，式中：控制參數u∈[0,4]，x∈[0,1]；為了能使Logistic映射與一維平方映射級聯成立，即兩個混沌映射的值域相同，對一維平方映射進行改進，改進后的一維平方混沌為：式中：a和b為控制參數，a∈[5,+∞]，b∈[-1,1]；x∈[0,1]；將logistic混沌映射與改進后的一維平方映射相級聯，生成級聯混沌，記為L-S級聯映射，其混沌方程為：其中a，b和u為控制參數，取a＝10,b＝0.9，u＝4，初值x₀設為0.66，循環迭代1億次，得到1億個隨機數x(i)；

步驟S12、改進的切比雪夫多項式y(i+1)＝|(cos(key×arccos(y(i)))|，其中參數key取5,初值y(0)取0.25,循環迭代1億次，得到1億個隨機數y(i)；

步驟S13、對比步驟S11中的x(i)和步驟S12中的y(i)，當x(i)≥y(i)時，將x(i)的值保存到數組S中，由此可生成混沌序列{S(i),i＝1,2…M₁}；

步驟S14、采用排序函數sort將此序列進行升序排列，可得到密鑰序列{Z(i),i＝1,2…M₁},并用序列{I(i),i＝1,2…M₁}記錄下原混沌序列S(i)中各元素的位置，計算公式為：Z(i)＝S[I(i)]；

所述步驟S3進一步包括以下步驟：

步驟S31、將圖像序列分量按照步驟S1密鑰序列{Z(i),i＝1,2…M}的生成規律而變化，從而對圖像置亂，置亂序列分別記為RY₁^M×M、GY₁^M×M、BY₁^M×M；若RY(i,j)、RY₁(i,j)分別為RY^M×M、RY₁^M×M中i行j列的元素值，即各自序列中的第M(i-1)+j個元素，滿足：RY₁(i,j)＝RY(m,n)，若記k＝M(i-1)+j，則m＝floor[I(k)/M]+1，n＝mod[I(k)/M]，其中floor和mod分別為取整和求余函數；

步驟S32、將步驟S14中的密鑰序列{Z(i),i＝1,2…3M}分成密鑰塊C₁，C₂，C₃；其中C_i(1≤i≤3)為M×M的方陣；

步驟S33、記擴散相乘后各通道的加密塊分別為RY₁₁、GY₁₁、BY₁₁；計算公式為：

步驟S34、步驟S33完成了對R、G、B三個通道的加密，將三個通道的加密圖像整合即可得到最終的加密后的彩色圖像，計算公式為：Y＝cat[3,RY₁₁,GY₁₁,BY₁₁]，式中：cat為組合函數，可將灰度圖像組合成彩色圖像；對獲取的每一幀圖像均進行同樣的操作，即完成了對視頻數據流的加密，加密結束；

所述步驟S4進一步包括以下步驟：

步驟S41、將步驟S34中的加密后的每一幀圖像按R、G、B三個通道進行分解，可得到各通道的加密塊分別為RY₁₁、GY₁₁、BY₁₁，再對其進行擴散恢復，計算公式為：

步驟S42、用排序函數對步驟S14中的序列I(i)進行升序排列，并用{II(i),i＝1,2…M₁}記錄下原排序序列I(i)中元素的初始位置,通過II(i)可將置亂后的各通道的圖像序列恢復，若RY(i,j)、RY₁(i,j)分別為RY^M×M、RY₁^M×M中i行j列的元素值，即各自序列中的第M(i-1)+j個元素，滿足：RY(i,j)＝RY₁(m,n)，若記k＝M(i-1)+j，則m＝floor[II(k)/M]+1，n＝mod[II(k)/M]，其中floor和mod分別為取整和求余函數；

步驟S43、將R、G、B三個通道的分量RY^M×M、GY^M×M、BY^M×M進行組合，得到最終的圖像，每一幀加密圖像均按相同的操作進行解密，即得到最終的解密后的視頻數據流，解密完成。