改进的基于混沌序列的视频加密算法

王加迎

(枣庄学院 光电工程学院，山东 枣庄 277160)

改进的基于混沌序列的视频加密算法

王加迎

(枣庄学院 光电工程学院，山东 枣庄 277160)

基于混沌序列的视频加密正在成为热点，提出了很多基于混沌序列的视频加密算法.针对H.264的特点，提出了一种Logistic混沌序列与幻方矩阵结合的视频加密改进算法，Logistic混沌映射产生的混沌序列作为加密序列，同时序列大小顺序编号排列成的幻方矩阵加密DCT非零系数.这种加密算法具有很高的实时性，加密可以和编码并行执行.

H.264；Logistic混沌序列；幻方矩阵；DCT①

0 引言

近年来网络多媒体迅速普及，数字信号处理技术也得到了长足的发展，视频点播、视频监控、视频会议等视频多媒体应用系统被广泛使用.相应的对视频信息的安全传输和产权保护提出了相应的要求，视频信号的加密己成为当前急需解决的问题.在通常视频加密体系中视频信息被当作比特流来处理，采用经典的DES算法[1]加密，压缩编码之后进行加密.但是由于DES算法计算复杂度很高，计算机的运算负荷较大和时延很长，将无法满足用户在网络多媒体实时传输和播放，视频传输效果无法满足用户需求[2] [3].于是采用选择性加密的方法来以减少系统的计算量，只对视频的I帧信息进行加密，由于相应I帧内容被加密，P帧和B帧也就无法正确解码.但是Agi和Gong[4]研究表明，由于帧间存在关联性，对于那些没有加密的P帧和B帧的I块，使得仅加密I帧后的视频还是能看见视频的大部分内容.

采用H. 264压缩编码标准，在视觉质量保持不变的基础上尽可能多地增大压缩比，在视频信息的加密中，通过简化视频加密算法来减小密钥的系统开销，减少因加密造成的延迟.文献[5]使用混沌函数产生加密序列，加密过程用到了三级混沌加密算法，不足之处是算法复杂度高，无法达到实时的要求.

本文对视频的加密目标是在满足安全传输的条件下，视频加密算法实时性更强，多媒体网络系统开销达到最低.针对视频数字信号的特点，结合H. 264压缩编码标准，本文提出一种改进的加密算法，采用幻方矩阵和Logistic映射产生混沌序列相结合的算法.

1 加密方案

1.1 改进的加密算法

本文采用分级加密的思想对视频图像的加密，加密是在DCT域中进行的.其算法是：

(1)利用幻方矩阵置乱I帧和部分重要的P、B帧视频图像的DCT系数矩阵M中非零系数的位置，对像素进行重新分布，完成第一级加密；

(2)然后利用Logistic映射产生的混沌序列改变非零系数值，从而改变像素值，产生第二级加密.

其中幻方矩阵由Logistic映射产生混沌序列的大小序号生成.对H. 264的加密方案如图1所示.

图1 H.264框架下的视频加密方案

1.2 Logistic映射序列产生及加密

在本文算法中，采用一个简单形式的Logistic映射如下：

其中0≤μ≤4称为分支参数，x∈(-1，1).

在混沌动力系统中，当3.56994560…<μ<4时，Logistic映射于混沌状态.即由初始条件xn在Logistic映射下产生的序列{xn， n=0，1，2，…}是非周期性的、不收敛的，而且与初始值相关.

这里参数μ的值设定为2，给出初始值x0，根据式(1.1)迭代t次，生成连续r个{x0，t+r}(其中r为宏块的大小)实数值序列利用生成的序列{x0，t+r}排列成矩阵，然后利用这个具有混沌特性的矩阵与DCT系数矩阵异或，完成对DCT系数的变换.

1.3 幻方矩阵置乱加密视频

(i=1,2,...,n;j=1,2,...,n)(1.2)其中c=n×(n2+1)/2则称A为标准幻方[5].

设定视频图像的DCT系数矩阵为M，对取定的n阶幻方矩阵A，将M与A按照行列作一一对应.把A中的元素1移至为2的位置，将元素2移至元素3的位置…….一般，对任何p=1，2，3，…，n2-1，它从其在A中位置移至p+1在A中位置，如果p=n2，则将p移至1在A中所在位置，经过这样的置换之后，矩阵A转换为矩阵A1，记A1=EA，对A1来说，可以重复上述置换，得矩阵A2=EA1，如此继续下去，经过n2步， An2=A.对于视频图像的DCT系数矩阵M， B与A元素之间的对应关系需要特别注意，随A转换为A1，把M中对应DCT系数相应的移置，产生新的系数矩阵M1，记EM=M1，一般，EMp-1=Mp.

幻方置换矩阵A的值是根据公式(1.1)(其中取μ=2，密钥x0为初始条件)生成的混沌序列的大小顺序编号排列成的矩阵.

1.4 密钥生成与分发

混沌系统的主要特性是对初值极端敏感，即初值的微小变化可以生成完全不同的伪随机序列.加密初始化时，用户密钥用来生成Logistic映射混沌序列发生器的初值，初值一旦确定，就可以得到随机性能很好的伪随机序列.我们将此序列二值化，然后分别用于生成幻方置换矩阵，对DCT非零系数加密和置乱.

1.5 解密与解码的同步

为了解码的重同步在H.264中引入IDR图像，当视频解码器解码IDR图像时，将清空参考帧队列，然后将已经解码的数据信息全部输出或抛弃，重新查找参数集，开始一个新的序列.这样在前一个序列出现严重的丢包或其他原因引起了数据错位的情况下，系统仍然能够获得重新同步.IDR图像之后的图像将不会引用IDR图像之前的图像数据来完成视频解码[6] [7].

如果视频图像数字序列在网络传输中发生重大错误，此时将利用IDR图像来实现视频图像解码的重同步，因为解密与解码是紧密相关的，IDR图像可以完成帧密钥和对应加密帧的同步，不会出现较重的错位情况.若一宏块中发生错误，仅在相应的宏块解密时会发生错误，其它的宏块仍然可以正常解密而不发生错误.

2 实验结果及分析

2.1 实验结果

本文利用H. 264参考软件JM12.0实现了上面提出的加密方案.使用的视频序列是QCIF格式(176×144)的Foreman_422_qci，量化参数QP为30.实验环境是AMD Athlon(tm) 64 X2 Dual 2.31GHz，内存1.75G的实验计算机.

加密视觉效果：当加密流回放时，视频图像背景纹理信息和前景运动信息都异常混乱，已经不可理解， 其加密效果如图2所示，可见，本方案视觉安全性较高.图2(a)为原始视频图像，图2(b)文献[5]中算法机密效果，图2(c)单独使用幻方矩阵加密效果，图2(d)单独使用Logistic混沌序列的效果，图2(e)采用Logistic映射产生混沌序列和幻方矩阵结合改进算法的效果.

2.2 安全分析

本文的视频信息加密改进算法是由混沌映射产生的混沌序列作为加密序列和混沌序列大小顺序编号排列成的幻方矩阵来实现加密的，本算法要求当给出一个与原始密钥十分接近的密钥时，应该不能得到相同或者相似的结果.Logistic映射混沌函数均具有良好的初值敏感性.总体来看，两层视频加密算法都能够独立来抵挡攻击，利用双层加密结合的算法使系统无法破解，提高了视频传输过程安全性.

2.3 算法性能分析

本文提出的视频加密算法有两层，但是在这两层视频信息加密过程中，仅仅把非零系数组成的矩阵元素的顺序和值改变，有效的降低了运算复杂度，提高了视频传输的实时性，有利于多媒体网络实时加密视频的传输.

表1 视频压缩时间

由于本文充分考虑了H.264压缩编码的特点，没有破坏或扰乱H.264的压缩编码和解码原理.在变换和量化后进行加密，未改变低频信息集中的性质，因此对视频的压缩效率没有带来不良影响.

表2 视频压缩比

3 结语

本文针对Logistic混沌序列和幻方矩阵变换，在参考前人成果的基础上，提出了一种改进的快速视频加密算法，Logistic混沌映射产生的混沌序列作为加密序列和Logistic混沌序列大小顺序编号排列成的幻方矩阵结合进行加密的算法.性能分析和实验结果均表明，该算法对压缩比影响的很小的条件下，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.

[5]Wang Jingbo, Zhou Xu, Zhang Xiangli. Video Encryption Algorithm Based on H.264 Standard[J]. Journal of Jilin University (Science Edition).2009, Vol 47,No. 1:75-81.

[6]Agi I，Gong L. An empirical study of MPEG video transmission [A]．In：Proceedings of the Internet Society Symposium on Network and Distributed System Security [C].San Diego，CA，1996：137-144.

[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，山东临沂人，枣庄学院光电工程学院助教，工学硕士，主要从事智能视频(图像)处理研究.

闫昕]