基于超混沌RC4的视频流加密算法

田 璐，谢淑翠，张建中

(1.西安邮电大学 通信与信息工程学院，陕西 西安 710061；2.陕西师范大学 数学与信息科学学院，陕西 西安 710062)

基于超混沌RC4的视频流加密算法

田 璐1，谢淑翠1，张建中2

(1.西安邮电大学 通信与信息工程学院，陕西 西安 710061；2.陕西师范大学 数学与信息科学学院，陕西 西安 710062)

为保证视频传输过程中的安全性，提出了一种基于超混沌与RC4相结合的视频加密算法。利用四维超混沌映射产生4个伪随机序列，将其分别作为RC4算法的种子密钥，实现DC系数、非零AC系数符号和运动矢量MV符号的联合加密。仿真加密算法的同时对算法的加密效果和安全性进行了分析，实验结果表明，该算法具有较大的密钥空间、较高的密钥敏感性以及较高的安全性。

超混沌；RC4；视频加密

随着多媒体应用的快速发展，大量公开的和私有的图像和视频等多媒体信息被通过网络传输，这一领域的信息安全已得到商业和学术界的广泛关注。如何将多媒体信息进行安全地传送成为一个至关紧要的问题。视频加密是其首要的解决方法。

近年来，人们已经提出了多种视频加密算法。Lei Tang[1]提出了利用Zigzag置乱DCT(Discrete Cosine Transformation)系数的加密算法。Shi[2]提出了利用流密码加密DCT系数符号和运动矢量符号的MPEG视频流加密算法。Kezia[3]提出了基于Lorenz混沌映射的数字视频加密算法。

本文在上述加密算法的基础上，提出了一种将加密与压缩过程相结合的视频加密算法。利用超混沌系统生成四个伪随机序列，将其分别用作RC4的种子密钥，产生新的随机序列，用来加密DC系数、AC系数符号和运动矢量符号。

1 算法基础

1.1 超混沌系统

混沌是一种貌似无规则的运动，具有不可预测性、对初始值的敏感性等一系列特征，因而被广泛应用在图像/视频加密领域。然而，低维混沌系统因其参数少、密钥简单，在安全性方面存在明显不足。超混沌系统是一种特殊的系统，可以克服一般混沌系统的缺点。它具有多个参数、两个或两个以上正的Lyapunov指数和相对复杂的动力学行为。同时，它能够提高系统的抗破译能力，因此，本文采用基于超混沌的视频加密算法，将获得更高的安全性。

文献[4]在Chen氏系统的基础上，提出了一个新的超混沌系统，其定义如下

(1)

1.2 RC4

RC4是Ronald Rivest在1987年为RSA公司设计的一种流密码。它采用随机置换算法和对称密钥技术，具有密钥长度灵活可变、基于字节操作等特点。该算法简单、易于实现、加解密速度快。

整个RC4算法包含2个部分：密钥编排算法(Key Scheduling Algorithm， KSA)以及伪随机序列生成算法(Pseudo Random Generation Algorithm， PRGA)。KSA算法中的S盒包含N个元素(N=2n，通常n=256)，遍历0到N-1，由种子密钥k对其进行置乱，得到新的S盒。PRGA算法在新的S盒间进行随机置换，产生加密密钥，即随机序列。从上述描述可知，RC4的安全性取决于种子密钥和内在的S盒，因此本文采用超混沌序列作为其种子密钥，提高算法的安全性。

2 算法设计

本算法方案[5]取在量化之后熵编码之前，为了减少运算量和密钥开销且不影响压缩效率，首先，如果选在量化之前对视频进行加密，经过量化后，很多系数会变成0，那么就会浪费分配好的密钥。其次，量化之前的加密，会破坏DCT系数自身的统计特性和ZigZag特性，故选择在量化之后对DCT系数和运动矢量符号进行加密，这样就不会对压缩比和码率产生较大影响，能获得非常好的加密效果[6]。

2.1 基于超混沌的改进RC4加密算法

RC4[7]是一个基于随机置换的对称密钥算法，其采用异或运算进行加密，若子密钥序列中出现重复子序列，密文被破解的几率就大大增加。传统的超混沌加密算法对抗差分攻击效果不好。针对上述问题，本文提出一种改进型的RC4加密算法，其主要思想是利用超混沌系统产生的随机序列作为RC4的种子密钥发生器，随机生成序列密钥，增加密钥的随机性[8]。其步骤如下：

xi=mod((abs(xi)-floor(abs(xi)))×1014，256)

(2)

2.2 加/解密算法

(3)

(4)

(5)

分别计算得到3个新的超混沌序列Xk，Yk，Zk，用来加密AC系数和运动矢量。

2.2.1 加密DC系数

图像/视频经过DCT变换后，使得低频部分集中了大部分的能量，因此，为了更好地破坏图像的可理解性，本文选择对低频部分的系数进行改变。同时保证减少密钥的开销，降低对压缩比的影响，又能达到相对较好的加密效果，本文采用下述算法对DC系数进行加密：

步骤1，得到宏块总数M，求满足条件(2t-1

步骤3，重复步骤2得到M个随机数；

步骤4，用洗牌算法把这M个数映射到[1，M]上，产生[1，M]上随机但不重复的整数；

步骤5，用这M个整数组成置乱矩阵对DC系数进行置乱；

步骤6，重复步骤1～4，生成M′，对置乱后的DC系数进行扩散。

2.2.2 加密非零AC系数符号

由于AC系数和DC系数之间的相关性，同时AC系数能反应出图像的细节，因此需要加密AC系数的符号位。考虑量化后的交流系数AC中，含有大量的0，如果全部加密，势必会增加密钥的开销，因此，本文选择加密非零AC系数的符号位，这样会大大简化计算复杂度，同时对熵编码后的压缩比不产生太大的负面影响。具体步骤如下：

步骤1，将式(5)产生的的混沌序列Zk根据式(6)计算

yn=(sign(xn)+1)/2,n=0,1,2,…,N-1

(6)

2.2.3 加密运动矢量符号

视频图像中的运动信息主要由运动矢量表示，因此对运动矢量进行加密，可以有效防止攻击者对P帧和B帧的破解。同时为了降低加密过程的运算复杂度，本文仅选择对运动矢量的符号位进行加密。因为运动矢量采用差分编码，加密其符号位可同时改变运动矢量的方向和大小。另外，运动矢量的编码是在压缩比不变的基础上，对符号位进行单独编码。其加密采用异或算法，与2.2.2中的加密方法一样。如果运动矢量大于等于0，它的符号用“1”表示；如果小于0，就用“0”表示。这样，所有运动矢量的符号可以组合成字节。利用式(3)、式(4)产生的序列Xk，Yk分别与x，y方向的运动矢量按位异或。

3 仿真结果

本算法利用MATLAB2012a平台进行仿真实验，查看其加密性能。使用QCIF格式(352×288)的bus.yuv的视频序列进行测试。超混沌系统的初始值分别为[1.378，-0.581，1.649，1.528]，迭代次数N0=25，控制参数k=0.4。实验结果如图1～图2所示。图1为bus.yuv第5帧截图，图2为加密后bus.yuv第5帧截图。

图1 bus原始图像

图2 bus加密图像

4 安全性分析

4.1 密钥空间分析

在本文算法中，分别应用DC系数加密、AC系数符号加密和运动矢量符号加密。因此密钥空间由4个初始密钥x0，y0，z0，w0和迭代次数N0组成。假设DC系数加密过程为P1，AC系数符号加密过程为P2，运动矢量x方向加密过程为P3，运动矢量y方向加密过程为P4，迭代次数N0为P5，则该算法密钥空间为P=P1×P2×P3×P4×P5。这里，每个参数精度都可达10-16，密钥空间可达10-80，在实际使用过程中，即使精度稍有降低，密钥空间也仍然很大，足以抵抗穷举攻击。

4.2 密钥敏感性分析

参数的敏感性直接影响到加密系统的密钥空间大小，因为参数越是敏感，实际有效的密钥量就越大，更能有效地抵抗穷举攻击。

一个优秀的密码系统应该对密钥具有极端的敏感性，并在一定程度上保证密码系统抵抗暴力攻击的安全性。因此，对本文算法进行密钥敏感性测试。给初始值加入一个1016的改变，将其作为加密密钥，用加密的结果与初始密钥得到的视频序列进行比较。由图3可以看出，初始密钥极微小的改变也会产生完全不同的加密结果。

图3 密钥敏感性测试

4.3 直方图分析

图像的直方图可以显示像素在图像中的亮度水平分布。如图4所示分别为原始视频图像和加密视频图像的统计直方图。

图4 视频图像直方图比较

根据原始视频图像和加密视频图像的直方图可以看到，加密后图像的直方图呈均匀分布状态，与加密前的完全不同。因此，攻击者无法根据视频图像的统计特性破译出原始视频，本文中算法足以抵抗统计分析攻击[9-10]。

4.4 相关性分析

原始数字视频相邻像素间通常具有较高的相关性。香农提出扩散和置乱两种方法可以抵抗基于统计分析的攻击，而加密算法的本质就是对视频像素进行置乱和扩散。理想的加密算法应该使加密视频相邻像素间零相关性[11-12]。

原始视频和加密视频一帧中相邻像素在垂直、水平以及对角方向上的相关系数可以由式(7)计算得到

(7)

本文从水平、垂直以及对角方向随机选取1 000对相邻像素对，分别进行相关系数计算。表1列出了不同方向上的相关系数值。图5分别显示原始视频和加密视频一帧垂直方向上两个相邻像素间的相关系数。

表1 相关系数

图5 垂直方向相邻像素相关性比较

4.5 计算量分析

本加密算法仅加密视频流中少量的关键信息，在对非零AC系数符号、运动矢量系数符号加密时，仅用异或运算，计算量很小。故其加密或解密的速度是非常快的，计算量很低，适用于实时加密。

5 结论

本文结合超混沌系统和RC4的特点提出了一种安全的视频加密方案。因为超混沌系统对初始条件的敏感性，在加密视频过程中可以大大提高参数的安全性。将经过RC4加密的超混沌序列加密参考帧的DC系数、AC系数运动矢量。仿真结果和性能分析表明，该算法具有足够大的密钥空间和快速的加密效率，从而保证了视频的安全性。

[1] TANG Lei. Methods for encryption and decryption MPEG video data efficiently[C]//Proc. 4th ACM International Conference on Multimedia. New York：ACM Press，1996：219-229.

[2] SHI C，BHARGAVA B. Light-weight MPEG video encryption algorithm[C]//Proc. International Conference on Multimedia. New Delhi：IEEE Press，1998：55-61.

[3] HEPHZIBAH K，GNANOU F S. Encryption of digital video encryption based on Lorenz chaotic system[C]//Proc. 16th International Conference on Advanced Computing and Commuication. Chennai：IEEE Press，2008：40-45.

[4] WANG Wei， LIU Fenlin，GE Xin，et al. Color image encryption algorithm based on hyper chaos[C]//Proc. 2nd IEEE International Conference on Information Management and Engineering. Chengdu：IEEE Press，2010：271-274.

[5] 王静波，周栩，许相莉，等.基于视频压缩标准H.264的视频加密算法[J].吉林大学学报：理学版，2009，47(1)：75-81.

[6] CHEN Qiuqiong，ZHANG Zhenjuan. New video compression and encryption algorithm based on hyper-chaos[C]//Proc. 9th International Conference on Fuzzy Systems and Knowledge Discovery. [S.l.]： IEEE Press，2012：1869-1873.

[7] 刘宴兵，田四梅，唐浩坤，等.基于混沌的RC4流加密算法[J].计算机工程， 2011，37(2)：136-138.

[8] GINTING R U，DILLAK R Y. Digtal color image encryption using RC4 sream cipher and chaotic logistic map[C]//Proc. International Conference on Information Technology and Electrical Engineering. Yogyakarta： IEEE Press，2013：101-105.

[9] TONG Xiaojun，LIU Yang，ZHANG Miao，et al. A novel image scheme based on dynamical multiple chaos and baker map[C]//Proc. 11th International Symposium on Distributed Computing and Applications to Business，Engineering & Science. [S.l.]：IEEE Press，2012：285-289.

[10] YAO Huazhen，JING Yatao. The design of video-conference encryption system based on H.264[C]//Proc. International Conference on Multimedia Technology. Ningbo： IEEE Press，2010：1-4.

[11] LEI Lihong， BAI Fengming， HAN Xuehui. New image encryption algorithm based on logistic map and hyper-chaos[C]//Proc. International Conference on Computional and Information Sciences. Shiyan： IEEE Press，2013：713-716.[12]LIANG Yuan，GUO Ke，LI Jianping. An improved video encryption method design[C]//Proc. 10th International Computer Conference on Wavelet Active Media Technology and Information Processing. Chengdu： IEEE Press，2013：95-99.

张建中(1960— )，硕士生导师，主要研究方向为信息安全与密码学及认证理论。

责任编辑：时 雯

RC4 Video Encryption Algorithm Based on Hyper-chaos

TIAN Lu1，XIE Shucui1，ZHANG Jianzhong2

(1.SchoolofTelecommunicationandInformationEngineering，Xi’anUniversityofPostsandTelecommunications，Xi’an710061，China；2.CollegeofMathematicsandInformationScience，ShaanxiNormalUniversity，Xi’an710062，China)

In view of the safety of video transmission， a novel video encryption algorithm base on hyper-chaos system and RC4 is put forward in this paper. Four chaotic sequences of hyper-chaotic map are used as the key of RC4 algorithm to encrypt DC coefficients， nonzero AC coefficients symbols and motion vector symbols. The experimental results prove that the algorithm has a larger key space， high sensitivity and high key security.

hyper-chaos；RC4；video encryption

【本文献信息】田璐，谢淑翠，张建中.基于超混沌RC4的视频流加密算法[J].电视技术,2015，39(11).

TN929

A

10.16280/j.videoe.2015.11.004

田 璐(1989— )，女，硕士生，主要研究方向网络与信息安全；

谢淑翠(1964— )，女，硕士生导师，主要研究方向为密码学与信息安全；

2015-04-21