本發(fā)明涉及視頻加密技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于量子細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)超混沌系統(tǒng)的視頻加密方法。

背景技術(shù)：

隨著社交網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和帶有攝像功能智能手機(jī)的普及，人們輕松的通過視頻網(wǎng)站和社交軟件獲取視頻信息，使得人們對視頻安全的需求激增，然而視頻存儲(chǔ)和傳輸時(shí)大多采用明文，視頻數(shù)據(jù)很容易被竊取。涉及到個(gè)人隱私的視頻一旦被泄露，就會(huì)產(chǎn)生難以估計(jì)的影響。視頻數(shù)據(jù)的明文傳輸也會(huì)涉及到視頻內(nèi)容的版權(quán)問題。因此視頻安全問題受到了越來越多的關(guān)注，成為亟待解決的研究課題之一。

近年來，研究者們提出了許多不同種類的視頻加密方案。根據(jù)加密策略的不同可以分為完全加密和選擇加密兩類：完全加密是將視頻數(shù)據(jù)當(dāng)作位流逐位加密，其優(yōu)點(diǎn)是安全性較高，可以達(dá)到較高的安全級別，但完全加密速度較慢且破壞了視頻的編碼格式，視頻傳輸實(shí)時(shí)性差。所以完全加密方法多用于銀行或軍事信息等對于實(shí)時(shí)性要求不高，但對安全性要求較高的領(lǐng)域。選擇性加密是對視頻的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，因此相比于完全加密方法加密速度快，但安全性要比完全加密算法要低。

視頻加密的實(shí)時(shí)性和安全性是彼此相互制約的，往往加密強(qiáng)度高的方法計(jì)算復(fù)雜度就相對較高。如何克服這對矛盾，設(shè)計(jì)一種速度快，安全性好的視頻加密方法已成為一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

H.264視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)相比于之前的壓縮標(biāo)準(zhǔn)可以獲得更好的壓縮性能節(jié)省更多的碼率，并且網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性和誤差魯棒性良好。所以H.264視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)在視頻傳輸中得到廣泛的應(yīng)用。因此選擇基于H.264視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇性加密應(yīng)用更加廣泛。

量子細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)超混沌系統(tǒng)即具備了超混沌系統(tǒng)的偽隨機(jī)性、不可預(yù)測性、初值極端敏感性等良好的非線性特征，可以為加密方案提供巨大的密鑰空間和良好的安全性能，同時(shí)具備量子細(xì)胞自動(dòng)機(jī)的超高集成度、超低功耗、無引線集成等新型納米器件的優(yōu)點(diǎn)，在信息安全領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決現(xiàn)有加密方法存在加密速度較慢且破壞了視頻的編碼格式，視頻傳輸實(shí)時(shí)性差以及安全性差等問題，提供一種基于量子細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的視頻混沌加密方法。

基于量子細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的視頻混沌加密方法，該方法具體由以下步驟實(shí)現(xiàn)：

步驟一、取兩細(xì)胞量子細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)超混沌系統(tǒng)，設(shè)定初值及控制參數(shù)；對所述兩細(xì)胞量子細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)超混沌系統(tǒng)進(jìn)行迭代求解，生成矩陣A；

步驟二、對步驟一所述矩陣A進(jìn)行矩陣變換生成混沌序列K和索引序列Index；

步驟三、將步驟二生成的混沌序列K進(jìn)行拆分，生成一個(gè)初始密鑰池；將步驟二生成的索引序列Index中的元素分別作為Logistic混沌映射的初值，并進(jìn)行n次迭代，生成兩個(gè)混沌索引序列IndexLog1和IndexLog2；

步驟四、將步驟三所述的兩個(gè)混沌索引序列IndexLog1和IndexLog2進(jìn)行變換，獲得范圍在[0,99]之間的兩個(gè)整數(shù)序列IndexLog1’和IndexLog2’；

步驟五、將步驟四獲得的兩個(gè)整數(shù)序列IndexLog1’與IndexLog2’分別作為索引并代入到步驟三所述的初始密鑰池中，選出兩組初始密鑰，根據(jù)獲得的兩組初始密鑰計(jì)算生成布爾密鑰KeyB；并將所述布爾密鑰KeyB平均分為兩組密鑰keyb1和keyb2；

步驟六、采用步驟五中的密鑰keyb1對H.264的指數(shù)哥倫布Exp-Golomb編碼信息位進(jìn)行加密；選擇視頻數(shù)據(jù)，采用步驟五中的密鑰keyb2作為密鑰，對H.264的CAVLC編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，實(shí)現(xiàn)對量子細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的視頻混沌加密。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提出了一種基于量子細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的視頻混沌加密方法，具體為一種超混沌系統(tǒng)的H.264視頻高效選擇加密方法。超混沌系統(tǒng)對初始條件及控制參數(shù)敏感，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以預(yù)測和分析，具有良好的偽隨機(jī)特性，為加密方法提供了巨大的密鑰空間和抗攻擊性能，量子細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是以量子細(xì)胞自動(dòng)機(jī)耦合的細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以從每個(gè)量子細(xì)胞自動(dòng)機(jī)的極化率和量子相位獲得復(fù)雜的線性動(dòng)力學(xué)特征，可用于構(gòu)造納米級的超混沌振蕩器，具有功耗低，集成度高的特性，能更好的滿足手機(jī)等移動(dòng)終端的應(yīng)用需求。

本發(fā)明所述的方法在保持系統(tǒng)復(fù)雜度，密鑰空間的前提下，避免了高階混沌系統(tǒng)多次迭代求解時(shí)間過長的問題，提高了密鑰的生成速度。使用本方法可以在不改變壓縮比的前提下，獲得很好的加密效果，運(yùn)算速度快，加密效率高，適應(yīng)于手機(jī)、便攜式移動(dòng)終端等計(jì)算能力有限的設(shè)備。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的基于量子細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的視頻混沌加密方法的密鑰生成示意圖；

圖2為本發(fā)明所述的基于量子細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的視頻混沌加密方法的加密流程圖；

圖3為“日歷”視頻數(shù)據(jù)第18幀原始圖像；

圖4為采用本發(fā)明所述的基于量子細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的視頻混沌加密方法加密的“日歷”視頻數(shù)據(jù)第18幀密文圖像；

圖5為“人物”視頻數(shù)據(jù)第20幀原始圖像；

圖6為采用本發(fā)明所述的基于量子細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的視頻混沌加密方法加密“人物”視頻數(shù)據(jù)第20幀密文圖像。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一、結(jié)合圖1至圖6說明本實(shí)施方式，基于量子細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的視頻混沌加密方法，圖1為本實(shí)施方式中加密方法的密鑰生成示意圖，密鑰生成過程如下步驟A1至F1所述。

根據(jù)H.264視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，本發(fā)明所述視頻加密方法加密流程如圖2所示，其中密鑰生成模塊具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)如圖1，即由步驟A1至步驟F1實(shí)現(xiàn)。

A1、取兩細(xì)胞量子細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)超混沌系統(tǒng)，其狀態(tài)方程為：

其中x₁,x₂,x₃,x₄為狀態(tài)變量；ω₁，ω₃與每個(gè)細(xì)胞內(nèi)量子點(diǎn)間能量成正比，ω₂，ω₄表示相鄰細(xì)胞極化率之差的加權(quán)影響，相當(dāng)于傳統(tǒng)CNN的克隆模板。當(dāng)ω₁＝0.28,ω₂＝0.7,ω₃＝0.28,ω₄＝0.3時(shí)系統(tǒng)處于超混沌態(tài)。

對該超混沌系統(tǒng)狀態(tài)方程組(1)進(jìn)行迭代求解，兩細(xì)胞量子細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)超混沌系統(tǒng)迭代次數(shù)為N，在本實(shí)施方式中N取10000，生成矩陣A：

B1、將步驟A1中的矩陣A按以下等式(2)和等式(3)的方法進(jìn)行矩陣變換生成混沌序列K及索引序列Index：

K＝{x₁₁，x₁₂，x₁₃，...，x_1N，x₂₁，x₂₂，x₂₃，...，x_2N，x₃₁，x₃₂，x₃₃，...，x_3N} (2)

Index＝{x_4(N-99)，x_4(N-98)，....，x_4N} (3)

在本實(shí)施方式中索引序列Index的大小為100。

C1、將步驟B1所述混沌序列K進(jìn)行拆分，得到L個(gè)初始密鑰組構(gòu)成的一個(gè)密鑰池。在本實(shí)施方式中，L＝100，每個(gè)密鑰組包含256個(gè)元素，密鑰池中共100個(gè)密鑰組，用下述式(4)表示為：

D1、以步驟B1所述索引序列Index中的元素分別作為Logistic混沌映射的初值。

Logistic混沌映射的方程用等式(5)表示為：

X_n+1＝μX_n(1-X_n) (5)

等式(5)中μ為Logistic混沌系統(tǒng)的控制參數(shù)，本實(shí)施方式中μ＝4。

n為Logistic混沌映射的迭代次數(shù)，X_n為當(dāng)前第n次的迭代結(jié)果，X_n+1為X_n的下一次的迭代結(jié)果。

在本實(shí)施方式中以迭代次數(shù)2000和3100對等式(5)所示Logistic混沌映射進(jìn)行迭代，生成兩個(gè)混沌索引序列IndexLog1和IndexLog2，分別用下式表示為：

IndexLog1＝{IndexLog1(0)，IndexLog1(2)，...，IndexLog1(99)} (6)

IndexLog2＝{IndexLog2(0)，IndexLog2(2)，...，IndexLog2(99)} (7)

等式(6)等式(7)所示混沌索引序列在本實(shí)施方式中各包含100個(gè)元素。

E1、將步驟D1所述混沌索引序列IndexLog1和IndexLog2以等式(8)的方法進(jìn)行變換，得到兩個(gè)范圍在[0，99]之間的整數(shù)序列IndexLog1’和IndexLog2’：

F1、將步驟E1中的IndexLog1’與IndexLog2’分別作為索引代入到步驟C1所生成的初始密鑰池中選出兩組初始密鑰，分別是key(IndexLog1′)和key(IndexLog2′)。以等式(9)的方法生成布爾密鑰KeyB：

KeyB＝funBoole(key(IndexLog1′)，key(IndexLog2′)) (9)

等式(9)中的函數(shù)funBoole()定義為：

funBoole(key(IndexLog1′)，key(IndexLogg2′))＝key(IndexLog1′)

≥key(IndexLog2′)？1：0

將KeyB平均分為兩組keyb1和keyb2，在本實(shí)施方式中：

keyb1＝{KeyB(0)，KeyB(1)，...，KeyB(127)}

keyb2＝{KeyB(128)，KeyB(129)，...，KeyB(255)}

G1、選取大小為176*144的qcif格式的“日歷”視頻數(shù)據(jù)，本實(shí)施方式運(yùn)行在H.264的JM8.6基本模式下，視頻長度為30幀，I幀間隔為8，其中提取第18幀原始圖像如圖3。

如圖2，根據(jù)H.264視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，視頻的編碼過程包括對原始視頻數(shù)據(jù)的幀間預(yù)測，幀內(nèi)預(yù)測，量化，熵編碼等步驟，本實(shí)施方式所述視頻加密方法步驟F1所生成的密鑰keyb1，用于對視頻數(shù)據(jù)幀間預(yù)測和幀內(nèi)預(yù)測的指數(shù)哥倫布Exp-Golomb編碼信息位進(jìn)行加密；

將步驟F1所述keyb1按照指數(shù)哥倫布編碼中的編碼碼字信息位長度進(jìn)行截取，即第1個(gè)指數(shù)哥倫布編碼的碼字長度為M1，對第1塊視頻信息的指數(shù)哥倫布編碼加密的密鑰分組為keyb1Group_1：

keyb1Group_1＝{keyb1(0)，keyb1(1)，...，keyb1(M1-1)}

被截取后的keyb1表示為：

keyb1＝{keyb1(M1)，keyb1(M1+1)，...，keyb1(127)}

第2個(gè)指數(shù)哥倫布編碼的碼字長度為M2，對第2塊視頻信息的指數(shù)哥倫布編碼加密的密鑰分組為keyb1Group_2：

keyb1Group_2＝{keyb1(M1)，keyb1(M1+1)，...，keyb1(M1+M2-1)}

被截取后的keyb1表示為：

keyb1＝{keyb1(M1+M2)，keyb1(M1+M2+1)，...，keyb1(127)}

依此類推；

等式(10)中j表示第j個(gè)視頻塊，keyb1Group_j表示第j塊視頻的指數(shù)哥倫布編碼加密的密鑰分組；x表示指數(shù)哥倫布編碼碼字的第x位，Info(x)表示指數(shù)哥倫布編碼碼字第x位加密前的原始信息；InfoEn(x)表示指數(shù)哥倫布編碼碼字第x位加密后的密文；⊕表示按位異或操作。

H1、如附圖2，根據(jù)H.264視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，本發(fā)明所述視頻加密方法步驟F1所生成的密鑰keyb2，用于對H.264的熵編碼的CAVLC編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，即對拖尾系數(shù)的符號位和非零系數(shù)幅值的符號位進(jìn)行加密。加密方法如等式(11)和等式(12)所示：

等式(11)中i表示當(dāng)前數(shù)據(jù)幀中的第i個(gè)塊，TrainlingSignEn(i)表示第i塊加密后的拖尾系數(shù)符號位的值；TrainlingSign(i)表示第i塊數(shù)據(jù)加密前的拖尾系數(shù)符號位的值；keyb1(2*i)表示keyb1密鑰序列中的第2i個(gè)元素。

等式(12)中LevelsEn(i)表示第i塊數(shù)據(jù)非零系數(shù)幅值的符號位加密后的值；Levels(i)表示第i塊數(shù)據(jù)非零系數(shù)幅值的符號位加密前的原始值；keyb1(2*i+1)表示keyb1密鑰序列中的第2i+1個(gè)元素；

圖4為本實(shí)施方式所述“日歷”視頻數(shù)據(jù)的第18幀圖像經(jīng)過本實(shí)施方式的視頻加密方法加密后獲得的密文圖像。

具體實(shí)施方式二、結(jié)合圖2、圖5和圖6說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為具體實(shí)施方式一的另一實(shí)施例：實(shí)施方式中的密鑰生成過程及加密流程與具體實(shí)施方式一相同。

結(jié)合圖5說明本實(shí)施方式，選取大小為352*288的cif格式的“人物”視頻數(shù)據(jù)，本實(shí)施方式運(yùn)行在H.264的JM8.6基本模式下，視頻長度為30幀，I幀間隔為8，其中提取圖5中第20幀原始圖像。

圖6為本實(shí)施方式中所述“人物”視頻數(shù)據(jù)的第20幀圖像經(jīng)過本發(fā)明所述視頻加密方法加密后的密文圖像。