基于混沌加密技術的WCDMA數字視頻監控終端

陳 越

（中山職業技術學院，中山廣東 528404）

0 引言

現有的數字監控系統普遍采用明文數據傳輸所帶來的安全性問題越來越受用戶的重視，尤其對如政府部門、企業機構等用戶，其監控內容常常涉及到國家機密、商業秘密等，必須經過加密。由于監控視頻流具有海量數據、傳輸比特率高、實時性強等特點，傳統的文字加密方法不適合視頻加密。

混沌序列具有非周期、連續寬頻帶、類噪聲和長期不可預測等特點[1]，加密的開銷小，特別適用于對明文視頻數據的加密[2]。H.264 是目前國際上主流的視頻數據壓縮標準，在相近的圖像質量上，縮效率高比H.263 和MEPG4 提高近一倍[3]，大大增強了視頻的壓縮效率和傳輸效率。在加密過程中合理利用H.264視頻自身數據結構的特點，能顯著減少運算量，提高系統效率。

布防范圍大、視頻采集點多是數字視頻監控系統的一大特點，實際應用的需求也在不斷提高，這就需要系統配置大量的視頻監控終端。現有的數字視頻監控系統，往往基于局域網或者專網，其應用靈活性受到傳輸介質的限制，例如在偏遠郊區或在原布有各種錯綜復雜通信線的城區重新布網絡線，系統造價費用高，工程安裝難度大，在臨時的或移動性的視頻監控應用中，視頻終端采用有線傳輸介質更是極不方便。因此，在傳輸的網絡介質中，3G無線通信已經成為數字視頻監控的新寵兒。而在國內已商用的3種主要的3G無線通信系統中，WCDMA無線通信系統技術最為成熟，上、下行傳輸速率最高，同時碼分多址的信道具備更強的安全性。因此，基于WCDMA網絡的實現終端與視頻監控中心之間的遠程視頻圖像傳送，能有效保障傳輸質量流暢和圖像清晰。

1 系統概述

數字視頻監控終端在硬件上由TMS320DM642主控DSP、前端視頻采集設備、焦距光圈控制電路、云臺及其驅動和電源部分組成，如圖1所示。

圖1 數字視頻監控終端硬件組成

前端視頻采集設備通過視頻模數轉換電路從普通的模擬攝像槍中采集視頻信號，并轉換為16bit YUV 4:2:2格式的數字信號輸入DM642芯片；在DM642芯片內進行數字視頻信號的H.264壓縮編碼和混沌加密，加密和編碼同步進行，在加密過程中合理利用H.264視頻自身數據結構的特點，降低加密開銷，提高加密效率；DSP芯片將經過壓縮和加密后的視頻流通過3G（WCDMA）無線傳輸模塊傳輸監控中心。傳送的方式是通過WCDMA網絡, 系統具有WCDMA的 PPP 撥號功能, 并嵌入式地實現 TCP/ IP 協議, 同時支持動態 IP。

該視頻監控終端的主要技術指標如下：

1.1 采用WCDMA無線數據通信方式，接入速率可達1Mbps；

1.2 模擬攝像槍輸出：PAL 的ITU- RBT.601 格式；

1.3 模擬-數字視頻轉換輸出：16bit Digital YUV 4:2:2格式；

1.4 編碼格式: H.264 ，352×288 ( CIF) 最高幀率15fps，176×144 ( QCIF)最高幀率25fps；

1.5 碼率 : 512Kbps/128Kbps；

1.6 基于混沌映射生成偽序列的加密方法進行實時加密，幀密鑰序列長度大于103，具有良好的安全性；

1.7 加密對碼率的影響小于5%，基本不影響視頻數據的傳輸效率；對幀率的影響小于2%，不影響觀看感受，具有良好的實時性。

2 編碼與加密算法

H.264編碼標準中定義了兩層編碼構架[4]：視頻編碼層(Video Coding Layer，VCL)和網絡提取層(NetworkAbstractionLayer，NAL)。其中，VCL的主要功能是采用運動補償、變換編碼、熵編碼及去方塊濾波等多種技術，對原始視頻數據進行高效壓縮，得到的是壓縮數據流[5]；NAL定義了數據封裝的格式；VCL提供與網絡無關的統一的格式。對NAL數據單元進行封裝，就可以適應于不同的傳輸系統，如H.320、RTP/IP等。

視頻流加密的嵌入過程在整數變換與量化之后及熵編碼之前，加密過程為：首先根據預先獲得的密匙初始化混沌序列發生器C；視頻監控終端從C中取得一個加密序列Si(i=1,2,…)和一個控制序列Gk(k=1,2,…)，運用混沌加密算法EC(·)將秘密信息的明文m加密為密文c，然后運用密寫嵌入算法ES(·)將密文嵌入到視頻序列中，獲得載密的視頻序列d，最后將d通過NAL層送入信道傳輸[6]。

混沌加密算法如下：

2.1 設由C產生的混沌序列為Sk(k=1,2,…)；

2.2 設f為歸一化函數，且lk=f(Sk)，對任意的序列值Sk，有0≤lk≤255；

2.3 每次需加密的明文為M字節（對長度大于M的明文進行分段，每段為M字節，對小于這個長度的則在其后補1）；

2.4 每次用于加密的序列 Li=[li×M+1，li×M+2，…，li×M+M]，i=0，1，…；

2.5 加密過程為：c=EC(m，Li)=m⊕Li，⊕表示異或；

用于加密的混沌序列Sk由logistic映射迭代產生：Sk+1=αSk(1-Sk)，其中α是混沌映射系數。

密寫嵌入算法如下：

2.5.1 設嵌入比特流長度為N，并表示為：b1，b2，…，bN，其中bi=1或0 (i=1,2,…,N)；

2.5.2 需要載體數據(即量化后的非零AC系數)的個數為 N+1，設其 LSB 為 ；d0，d1，…，dN，其中 di=1 或 0 (i=0,1,…,N) ；

2.5.3 設由C產生的用于控制密寫嵌入的混沌序列為Gk(k=1,2,…)，由logistic映射迭代產生；

2.5.4 在Gk的控制下，從d0，d1，…，dN選取一個作為嵌入控制位dcbk，當dcbk為1時，將各比特取反后嵌入，當dcbk為0時，將各比特直接嵌入。cbk由下式產生：cbk=round(Gk×(N+1))，其中round(·)為四舍五入取整運算；

3 性能分析

視頻數據采用WCDMA網絡傳輸，數據率成為系統瓶頸，因此加密過程對碼率的影響決定了加密算法的性能。用QCIF格式標準視頻序列對算法進行了仿真，表1顯示了加密后對壓縮比的影響，可見加密對對壓縮比的影響小于5%。

表1 加密對壓縮比的影響

4 結論

基于混沌加密技術的WCDMA數字視頻監控終端使用技術成熟、傳輸速率快的3G無線通信網絡WCDMA來傳輸數據，并結合H.264自身數據結構的特點，對視頻數據實現高效的混沌加密，同時保證監控視頻的實時傳輸，適合于對視頻保密性有高要求的應用領域，同時，其安裝配置靈活等特點，使它特別適合臨時監控系統、車載監控等應用場合。

[1]一種改進的混沌序列生成方案及性能分析[J], 2008 .

[2]張薇,何瑞春.一種基于Logistic混沌序列的加密隱藏算法[J].蘭州交通大學學報.2006(04) .

[3]常侃.H.264的關鍵技術研究[D].北京郵電大學 2010

[4]Peng Wu，Chuan-Bai Xiao，“An Adaptive Fast Multiple Referenee Frames Seleetion Algorithm for H.264/AVC”，Proeeedings of International Conference on Acoustics，Speeeh，Signal Processing(ICASSP 08)，pp.1017-1020，LasVegas，Nevada，USA，Apr.2008.

[5]畢厚杰，王健.新一代視頻壓縮碼標準—H.264/AVC(第二版).人民郵電出版社, 2009.

[6]馮久超.混沌信號與信息處理.清華大學出版社，2012.