基于摄像头采集的混沌视频加密研究

摘要 实时视频采集、存储和处理，已在各领域得到广泛应用。文中介绍了基于FPGA的视频采集系统设计的总体框架，并阐述了其中的设计流程，利用混沌信号对数据进行加密提高视频数据的安全性。在DE2平台下验证实，文中设计的FPGA视频采集系统完成了对实时视频进行混沌加密，实验结果表明，设计达到了初定的目标，加密的性能和效果能满足应用需要。
关键词 视频采集；FPGA；混沌加密；乒乓控制

实时视频采集、存储和处理已经在得到广泛应用，如远程监控、安防、工程控制、医疗器械等。通常情况下，用CCD或CMOS采集视频，而得到的都是模拟视频信号，直接进行传输、存储和处理比较困难，因此必须将其转换为数字视频信号。文中采用视频解码芯片和现场可编程门阵列FPGA设计的实时图像采集系统，不仅可以有效地缩短研发周期，而目可以广泛应用于图像识别、网络视频传输和实时监控等各类图像信息处理系统。
此外，考虑到该设计的视频采集系统可以投入后续的一些应用，如网络视频或视频会议等。信息安全对于本系统较为重要，要求本系统应该具有一定的数据保密功能。由于目前许多加密算法的结构复杂、运算量大，对于视频采集这种实时性要求较高的数据流而言难以达到速度要求，因此，文中设计的系统选择了—种加密效果良好，且易于硬件实现的混沌算法以对视频数据进行加密。

1 混沌加密实现原理
1．1 混沌加密原理
混沌信号用于数据保密通信中有多种形式，究其根底混沌保密是利用混沌信号的各种特性实现的。在数据的发送端将其作为密钥明文信息和混沌信号经加密变换后形威密文，然后在信道中传送，在接收端合法用户知道解密密钥和解密变换因此能够得到正确的明文。这种加密原理主要源于传统的对称密钥加密算法。
目前常用于加密的混沌同步方法主要有：驱动一响应同步及串联同步法、主动一被动同步方法、互耦合混沌同步法。自适应同步方法、神经网络同步方法等。传统的混沌加密算法首先需要产生混沌信号，混沌信号的产生要求较高。首先硬件要支持浮点运算，并且需要迭代一定次数才能产生混沌，所以占用硬件资源较大；相比较而言，本设计为实现视频加密所采用的二维猫映射混沌加密算法和扩散算法，不会带来信号失真，运算复杂度低，易于硬件的实现，加密效果较好。
1．2 猫映射加密算法
猫映射的数学表达式为

其中，modl表示只取实数的小数部分。为将猫映射用于加密，需要对它进行适当处理，首先将猫映射扩展到N×N，并进行离散化，如式(3)所示。

在实际图像猫映射加密中，为让图像加密效果更理想，需要经过n次迭代计算完成n阶猫映射算法。需要说明的是，应用猫映射算法加密的图像必须是正方形，否则会产生像素混叠导致解码失败。因此，模运算的N表示图像宽度。
1．3 扩散算法
扩散算法的数学表达式为

其中，f(xk，yk)，f(xk+1，yk)，f(xk+2，yk)，f(xk+3，yk)表示一行中的连续4个像素值。进行模256的算法是为了使经过扩散运算后的结果范围在[0，255]内，保证运算结果仍为8位。此外，由于B矩阵中的元素都是整数，对于不支持浮点数运算的硬件平台来说，比较容易实现。

2 视频采集系统的设计
此次设计采用的FPGA核心芯片是Altera公司CycloneII系列，型号EP2C35F672C。此型号芯片含有33 216个逻辑单元，内置483 840bit的内部RAM容量，其中包括105个M4K RAM模块，35个内嵌乘法器，4个PLL和475个I／O管脚。