李敬園，何 丹

(廣東工業(yè)大學 自動化學院，廣東 廣州510006)

實時視頻采集、存儲和處理已經在得到廣泛應用，如遠程監(jiān)控、安防、工程控制、醫(yī)療器械等。通常情況下，用CCD或CMOS采集視頻，而得到的都是模擬視頻信號，直接進行傳輸、存儲和處理比較困難，因此必須將其轉換為數(shù)字視頻信號。文中采用視頻解碼芯片和現(xiàn)場可編程門陣列FPGA設計的實時圖像采集系統(tǒng)，不僅可以有效地縮短研發(fā)周期，而且可以廣泛應用于圖像識別、網絡視頻傳輸和實時監(jiān)控等各類圖像信息處理系統(tǒng)［1］。

此外，考慮到該設計的視頻采集系統(tǒng)可以投入后續(xù)的一些應用，如網絡視頻或視頻會議等。信息安全對于本系統(tǒng)較為重要，要求本系統(tǒng)應該具有一定的數(shù)據保密功能。由于目前許多加密算法的結構復雜、運算量大，對于視頻采集這種實時性要求較高的數(shù)據流而言難以達到速度要求。因此，文中設計的系統(tǒng)選擇了一種加密效果良好，且易于硬件實現(xiàn)的混沌算法以對視頻數(shù)據進行加密。

1 混沌加密實現(xiàn)原理

1.1 混沌加密原理

混沌信號用于數(shù)據保密通信中有多種形式，究其根底混沌保密是利用混沌信號的各種特性實現(xiàn)的。在數(shù)據的發(fā)送端將其作為密鑰明文信息和混沌信號經加密變換后形成密文，然后在信道中傳送，在接收端合法用戶知道解密密鑰和解密變換因此能夠得到正確的明文。這種加密原理主要源于傳統(tǒng)的對稱密鑰加密算法［2－3］。

目前常用于加密的混沌同步方法主要有:驅動—響應同步及串聯(lián)同步法、主動—被動同步方法、互耦合混沌同步法、自適應同步方法、神經網絡同步方法等［4］。傳統(tǒng)的混沌加密算法首先需要產生混沌信號，混沌信號的產生要求較高。首先硬件要支持浮點運算，并且需要迭代一定次數(shù)才能產生混沌，所以占用硬件資源較大;相比較而言，本設計為實現(xiàn)視頻加密所采用的二維貓映射混沌加密算法和擴散算法，不會帶來信號失真，運算復雜度低，易于硬件的實現(xiàn)，加密效果較好。

1.2 貓映射加密算法

貓映射的數(shù)學表達式為

其中，mod1表示只取實數(shù)的小數(shù)部分。為將貓映射用于加密，需要對它進行適當處理，首先將貓映射擴展到N×N，并進行離散化，如式(3)所示。

1.3 擴散算法

擴散算法的數(shù)學表達式為

其中，f(xk，yk)，f(xk+1，yk)，f(xk+2，yk)，f(xk+3，yk)表示一行中的連續(xù)4個像素值。進行模256的算法是為了使經過擴散運算后的結果范圍在［0，255］內，保證運算結果仍為8位。此外，由于B矩陣中的元素都是整數(shù)，對于不支持浮點數(shù)運算的硬件平臺來說，比較容易實現(xiàn)。

2 視頻采集系統(tǒng)的設計

此次設計采用的FPGA核心芯片是Altera公司CycloneII系列，型號EP2C35F672C。此型號芯片含有33 216個邏輯單元，內置483 840 bit的內部RAM容量，其中包括105個M4K RAM模塊，35個內嵌乘法器，4個PLL和475個I/O管腳［5］。

2.1 系統(tǒng)的總體框架

設計的系統(tǒng)由A/D轉換、FPGA控制處理、外部SRAM和VGA組成，如圖1所示。A/D轉換部分用于圖像數(shù)據的采集和模數(shù)轉換。設計采用AD公司的視頻解碼芯片ADV7181［6］。FPGA控制處理部分采用Altera公司的CycloneII系列芯片作為控制處理核心，負責前端數(shù)據采集和存儲，同時將數(shù)據傳輸至顯示器［7－9］。另外，由于視頻數(shù)據采集的實時性和連續(xù)性要求，采用外部SRAM作為存儲設備。

圖1 視頻采集系統(tǒng)框圖

2.2 視頻采集的流程分析

視頻采集系統(tǒng)主要包括ITU656解碼模塊、I2C接口模塊、SRAM控制模塊和VGA顯示模塊。

當系統(tǒng)加電后，首先通過I2C接口模塊對ADV7181芯片進行初始化，使ADV7181芯片輸出標準的PAL制式數(shù)據。當程序判斷出接收到的是有效視頻數(shù)據時，ITU656解碼模塊對A/D芯片產生的PAL制式數(shù)據流進行串并轉換和YUVtoRGB轉換，產生適合顯示的RGB數(shù)據格式。隨后FPGA將轉換后的圖像數(shù)據存入SRAM中，當接收完一幀圖像數(shù)據后，F(xiàn)PGA將從SRAM中讀出視頻圖像數(shù)據并通過VGA模塊在CRT顯示器上顯示，與此同時FPGA繼續(xù)控制下一幀視頻的采集、轉換、存儲和顯示。整個視頻采集的流程如圖2所示。

3 視頻混沌加密系統(tǒng)的設計

混沌加密系統(tǒng)中，混沌加密算法的設計至關重要，它決定了混沌加密系統(tǒng)的安全性以及執(zhí)行效率。此外，由于視頻數(shù)據量龐大和實時性的特點，對混沌加密系統(tǒng)的執(zhí)行效率提出了更高的要求。具體的說，應盡可能的避免重復的迭代運算，采用流水線式的結構實現(xiàn)高速運算。

圖2 視頻采集流程圖

文中加密算法采用貓映射置亂算法和擴散算法相結合的方法實現(xiàn)。傳統(tǒng)用C語言實現(xiàn)的置亂和擴散加密方式主要是先對整幅圖像進行置亂后再進行擴散加密，程序中存在多次循環(huán)語句的調用，在圖像尺寸較大情況下，這些循環(huán)語句的調用會花費比較多的時間，造成數(shù)據處理實時性能不足;針對這種不足，考慮到Verilog語言的并行處理特點，提出具有實時處理能力的置亂擴散加密原理框圖，如圖3所示。

圖3 視頻加密原理框圖

從原理上分析，置亂算法和擴散算法的運算對象不同，置亂算法處理的是像素位置，而擴散算法處理的是像素值。因此，借助Verilog語言的并行性特點，可以同時進行置亂算法和擴散算法。一方面將圖像像素坐標信息傳送到置亂加密模塊中，產生置亂后的地址，連接到SRAM的地址總線上;另一方面從視頻圖像中不斷地緩存連續(xù)的4個像素值傳送到擴散加密模塊中，經過擴散算法后產生4個新的像素值，送到SRAM的數(shù)據總線上。

4 實驗及結果分析

4.1 實驗結果

基于FPGA的視頻加密實驗結果如圖4所示。圖4(a)為采集到的某一幀圖像，需要說明的是圖像像素是由16位RGB565擴展為24位RGB888數(shù)據顯示的，其中RGB565數(shù)據是存放在SRAM中的數(shù)據。之所以存儲16位RGB565，是由于本系統(tǒng)中的外部存儲器SRAM的數(shù)據位寬為16位。選擇16位RGB565既滿足外部存儲器的數(shù)據帶寬要求，又不會降低圖像的視覺效果。圖4(b)為采集到的經過混沌加密后的某一幀圖像，由于混沌加密算法會使圖像的像素值位寬變長，不能直接存放，需要將像素值截斷成RGB565的數(shù)據才能進行存儲。圖4(c)為經過逆運算后得到的解密圖像。

圖4 實驗結果

4.2 安全性能分析

這里的安全性能分析主要是通過一幅圖像灰度值的統(tǒng)計特性來分析加密算法的安全性，采用Matlab計算出原圖像與加密后的灰度信息進行對比。

原圖像灰度值的統(tǒng)計直方圖，如圖5所示，從圖中可以了解到，圖像的頻率分布主要在低頻到中頻區(qū)域內。

加密后圖像灰度值的統(tǒng)計直方圖，如圖6所示。對圖5和圖6進行比較，可以看出，經過置亂和擴散加密的圖像灰度值統(tǒng)計特性發(fā)生了明顯的變化，圖像的頻率遍布整個頻率空間，這種效果正是置亂和擴散算法在加密中的充分體現(xiàn)，也是圖像加密的安全性要求。正是由于混沌的這種特性，使得入侵者難以通過加密圖像的灰度值統(tǒng)計特性來破譯文件，從而增加密文圖像的安全性。

5 結束語

實驗完成了基于FPGA平臺的視頻采集系統(tǒng)的實現(xiàn)和混沌置亂擴散加密的算法設計。從實驗結果來看，設計達到設定的目標，加密的性能和效果基本滿足實際應用的要求。由于系統(tǒng)采用的置亂擴散算法比較簡單，因此接下來的工作就是要利用更為復雜的混沌系統(tǒng)作為密碼流對視頻數(shù)據進行加密，以使視頻加密的安全性更好。

［1］ 張慧源，禹思敏，龔大剛.基于混沌加密的嵌入式通信系統(tǒng)的研究［J］.微計算機信息，2005，21(11):31－32.

［2］PECORA L M，CARROLL T L.Synchronization in chaotic systems［J］.Physical Review Letters，1990，64(8):821－824.

［3］HALLE K S，WU Chaiwah，ITOH M，et a1.Spread spectrum communication through modulation of chaos［J］.Int.J.Bifurcation Chaos，1993，3(2):469－477.

［4］ 禹思敏.混沌系統(tǒng)與混沌電路:原理、設計及其在通信中的應用［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2011.

［5］Altera Corporation.Cyclone II device handbook［EB/OL］.(2012－07－08)［2012－08－01］www.altera.com.

［6］Analog Devices Inc.Multiformat SDTV video decoder ADV7181B［EB/OL］.(2012－07－08)［2012－08－01］www.analog.com.

［7］ 郭祥東.基于FPGA的視頻圖像采集系統(tǒng)的設計［J］.九江學院學報，2009，31(20):44－45.

［8］ 胡曉飛，殳國華，張士文.基于視頻處理芯片和CPLD的實時圖像采集系統(tǒng)［J］.電子技術，2002(10):28－30.

［9］ 胡瑤榮.基于FPGA的實時視頻采集系統(tǒng)［J］.電視技術，2005(2):81－83.