王加迎

(棗莊學院 光電工程學院，山東 棗莊 277160)

改進的基于混沌序列的視頻加密算法

王加迎

(棗莊學院 光電工程學院，山東 棗莊 277160)

基于混沌序列的視頻加密正在成為熱點，提出了很多基于混沌序列的視頻加密算法.針對H.264的特點，提出了一種Logistic混沌序列與幻方矩陣結(jié)合的視頻加密改進算法，Logistic混沌映射產(chǎn)生的混沌序列作為加密序列，同時序列大小順序編號排列成的幻方矩陣加密DCT非零系數(shù).這種加密算法具有很高的實時性，加密可以和編碼并行執(zhí)行.

H.264；Logistic混沌序列；幻方矩陣；DCT①

0 引言

近年來網(wǎng)絡多媒體迅速普及，數(shù)字信號處理技術(shù)也得到了長足的發(fā)展，視頻點播、視頻監(jiān)控、視頻會議等視頻多媒體應用系統(tǒng)被廣泛使用.相應的對視頻信息的安全傳輸和產(chǎn)權(quán)保護提出了相應的要求，視頻信號的加密己成為當前急需解決的問題.在通常視頻加密體系中視頻信息被當作比特流來處理，采用經(jīng)典的DES算法[1]加密，壓縮編碼之后進行加密.但是由于DES算法計算復雜度很高，計算機的運算負荷較大和時延很長，將無法滿足用戶在網(wǎng)絡多媒體實時傳輸和播放，視頻傳輸效果無法滿足用戶需求[2] [3].于是采用選擇性加密的方法來以減少系統(tǒng)的計算量，只對視頻的I幀信息進行加密，由于相應I幀內(nèi)容被加密，P幀和B幀也就無法正確解碼.但是Agi和Gong[4]研究表明，由于幀間存在關(guān)聯(lián)性，對于那些沒有加密的P幀和B幀的I塊，使得僅加密I幀后的視頻還是能看見視頻的大部分內(nèi)容.

采用H. 264壓縮編碼標準，在視覺質(zhì)量保持不變的基礎上盡可能多地增大壓縮比，在視頻信息的加密中，通過簡化視頻加密算法來減小密鑰的系統(tǒng)開銷，減少因加密造成的延遲.文獻[5]使用混沌函數(shù)產(chǎn)生加密序列，加密過程用到了三級混沌加密算法，不足之處是算法復雜度高，無法達到實時的要求.

本文對視頻的加密目標是在滿足安全傳輸?shù)臈l件下，視頻加密算法實時性更強，多媒體網(wǎng)絡系統(tǒng)開銷達到最低.針對視頻數(shù)字信號的特點，結(jié)合H. 264壓縮編碼標準，本文提出一種改進的加密算法，采用幻方矩陣和Logistic映射產(chǎn)生混沌序列相結(jié)合的算法.

1 加密方案

1.1 改進的加密算法

本文采用分級加密的思想對視頻圖像的加密，加密是在DCT域中進行的.其算法是：

(1)利用幻方矩陣置亂I幀和部分重要的P、B幀視頻圖像的DCT系數(shù)矩陣M中非零系數(shù)的位置，對像素進行重新分布，完成第一級加密；

(2)然后利用Logistic映射產(chǎn)生的混沌序列改變非零系數(shù)值，從而改變像素值，產(chǎn)生第二級加密.

其中幻方矩陣由Logistic映射產(chǎn)生混沌序列的大小序號生成.對H. 264的加密方案如圖1所示.

圖1 H.264框架下的視頻加密方案

1.2 Logistic映射序列產(chǎn)生及加密

在本文算法中，采用一個簡單形式的Logistic映射如下：

其中0≤μ≤4稱為分支參數(shù)，x∈(-1，1).

在混沌動力系統(tǒng)中，當3.56994560…<μ<4時，Logistic映射于混沌狀態(tài).即由初始條件xn在Logistic映射下產(chǎn)生的序列{xn， n=0，1，2，…}是非周期性的、不收斂的，而且與初始值相關(guān).

這里參數(shù)μ的值設定為2，給出初始值x0，根據(jù)式(1.1)迭代t次，生成連續(xù)r個{x0，t+r}(其中r為宏塊的大小)實數(shù)值序列利用生成的序列{x0，t+r}排列成矩陣，然后利用這個具有混沌特性的矩陣與DCT系數(shù)矩陣異或，完成對DCT系數(shù)的變換.

1.3 幻方矩陣置亂加密視頻

(i=1,2,...,n;j=1,2,...,n)(1.2)其中c=n×(n2+1)/2則稱A為標準幻方[5].

設定視頻圖像的DCT系數(shù)矩陣為M，對取定的n階幻方矩陣A，將M與A按照行列作一一對應.把A中的元素1移至為2的位置，將元素2移至元素3的位置…….一般，對任何p=1，2，3，…，n2-1，它從其在A中位置移至p+1在A中位置，如果p=n2，則將p移至1在A中所在位置，經(jīng)過這樣的置換之后，矩陣A轉(zhuǎn)換為矩陣A1，記A1=EA，對A1來說，可以重復上述置換，得矩陣A2=EA1，如此繼續(xù)下去，經(jīng)過n2步， An2=A.對于視頻圖像的DCT系數(shù)矩陣M， B與A元素之間的對應關(guān)系需要特別注意，隨A轉(zhuǎn)換為A1，把M中對應DCT系數(shù)相應的移置，產(chǎn)生新的系數(shù)矩陣M1，記EM=M1，一般，EMp-1=Mp.

幻方置換矩陣A的值是根據(jù)公式(1.1)(其中取μ=2，密鑰x0為初始條件)生成的混沌序列的大小順序編號排列成的矩陣.

1.4 密鑰生成與分發(fā)

混沌系統(tǒng)的主要特性是對初值極端敏感，即初值的微小變化可以生成完全不同的偽隨機序列.加密初始化時，用戶密鑰用來生成Logistic映射混沌序列發(fā)生器的初值，初值一旦確定，就可以得到隨機性能很好的偽隨機序列.我們將此序列二值化，然后分別用于生成幻方置換矩陣，對DCT非零系數(shù)加密和置亂.

1.5 解密與解碼的同步

為了解碼的重同步在H.264中引入IDR圖像，當視頻解碼器解碼IDR圖像時，將清空參考幀隊列，然后將已經(jīng)解碼的數(shù)據(jù)信息全部輸出或拋棄，重新查找參數(shù)集，開始一個新的序列.這樣在前一個序列出現(xiàn)嚴重的丟包或其他原因引起了數(shù)據(jù)錯位的情況下，系統(tǒng)仍然能夠獲得重新同步.IDR圖像之后的圖像將不會引用IDR圖像之前的圖像數(shù)據(jù)來完成視頻解碼[6] [7].

如果視頻圖像數(shù)字序列在網(wǎng)絡傳輸中發(fā)生重大錯誤，此時將利用IDR圖像來實現(xiàn)視頻圖像解碼的重同步，因為解密與解碼是緊密相關(guān)的，IDR圖像可以完成幀密鑰和對應加密幀的同步，不會出現(xiàn)較重的錯位情況.若一宏塊中發(fā)生錯誤，僅在相應的宏塊解密時會發(fā)生錯誤，其它的宏塊仍然可以正常解密而不發(fā)生錯誤.

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 實驗結(jié)果

本文利用H. 264參考軟件JM12.0實現(xiàn)了上面提出的加密方案.使用的視頻序列是QCIF格式(176×144)的Foreman_422_qci，量化參數(shù)QP為30.實驗環(huán)境是AMD Athlon(tm) 64 X2 Dual 2.31GHz，內(nèi)存1.75G的實驗計算機.

加密視覺效果：當加密流回放時，視頻圖像背景紋理信息和前景運動信息都異?；靵y，已經(jīng)不可理解， 其加密效果如圖2所示，可見，本方案視覺安全性較高.圖2(a)為原始視頻圖像，圖2(b)文獻[5]中算法機密效果，圖2(c)單獨使用幻方矩陣加密效果，圖2(d)單獨使用Logistic混沌序列的效果，圖2(e)采用Logistic映射產(chǎn)生混沌序列和幻方矩陣結(jié)合改進算法的效果.

2.2 安全分析

本文的視頻信息加密改進算法是由混沌映射產(chǎn)生的混沌序列作為加密序列和混沌序列大小順序編號排列成的幻方矩陣來實現(xiàn)加密的，本算法要求當給出一個與原始密鑰十分接近的密鑰時，應該不能得到相同或者相似的結(jié)果.Logistic映射混沌函數(shù)均具有良好的初值敏感性.總體來看，兩層視頻加密算法都能夠獨立來抵擋攻擊，利用雙層加密結(jié)合的算法使系統(tǒng)無法破解，提高了視頻傳輸過程安全性.

2.3 算法性能分析

本文提出的視頻加密算法有兩層，但是在這兩層視頻信息加密過程中，僅僅把非零系數(shù)組成的矩陣元素的順序和值改變，有效的降低了運算復雜度，提高了視頻傳輸?shù)膶崟r性，有利于多媒體網(wǎng)絡實時加密視頻的傳輸.

表1 視頻壓縮時間

由于本文充分考慮了H.264壓縮編碼的特點，沒有破壞或擾亂H.264的壓縮編碼和解碼原理.在變換和量化后進行加密，未改變低頻信息集中的性質(zhì)，因此對視頻的壓縮效率沒有帶來不良影響.

表2 視頻壓縮比

3 結(jié)語

本文針對Logistic混沌序列和幻方矩陣變換，在參考前人成果的基礎上，提出了一種改進的快速視頻加密算法，Logistic混沌映射產(chǎn)生的混沌序列作為加密序列和Logistic混沌序列大小順序編號排列成的幻方矩陣結(jié)合進行加密的算法.性能分析和實驗結(jié)果均表明，該算法對壓縮比影響的很小的條件下，可以取得良好的加密效果.

[1]Chun Yuan，Bin B.Zhu，Yidong，Yuzhuo Zhong. "Efficient end fully scalable encryption for MPEG-4 FGS，" IEEE 10113.

[2]Stinson Douglas R. Cryptography, Theory and Practice [M]. New York CRC Press Inc, 1995.

[3]Maples T B, Spanos G A. Performance study of a selective encryption scheme for the security of networked, real-time video [A]. In: Proceedings of the 4th International Conference on Computer Communications and Network [C], Las Vegas, NV, USA, 1995:2～10.

[4]McCanne Steven, Jacobson Van. A flexible framework for packet video[A]. In: Proceedings of the ACM Multimedia95 [C], San Francisco, CA, USA, 1995: 511～522.

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[7]Shi Changgui, Bhargava Bharat. A fast MPEG video encryption algorithm [A]. In: Proceedings of the Sixth ACM International Conference on Multimeda [C], Bristol United Kingdom, 1998:81～88.

[8]Matthews R. On the Derivation of a“Chaotic”Encryption Algorithm [J]. Cryptologia, 1989, 13(1): 29-41.

AnImprovedVideoEncryptionAlgorithmBasedonchaoticsequence

WANG Jia-ying

(Department of Chemistry, Zaozhuang University, Zaozhuang 277160,China)

According to the features of H.264,this paper proposes a video encryption resolution, which is combined of Logistic chaotic sequence and magic square matrix. In this paper, Logistic chaos map chaotic sequence as an encrypted sequence, and sequence size order numbers are made into a magic non-zero matrix encrypting DCT coefficients. This encryption resolution has a high real time, encryption and encoding can be executed in parallel.

H.264; Logistic chaos; magic square matrices; DCT

TP309.7

A

1004-7077(2013)02-0140-05

2013-01-08

王加迎(1984-)，男，山東臨沂人，棗莊學院光電工程學院助教，工學碩士，主要從事智能視頻(圖像)處理研究.

閆昕]