一種基于高效視頻編碼的選擇性混合加密算法

(哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

高效視頻編碼(high efficiency video coding，HEVC)[1]又稱H.265，是最新的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。相比其前身H.264/AVC[2]，HEVC支持超高清分辨率的視頻，在相同視頻質(zhì)量上其可提供2倍的數(shù)據(jù)壓縮率，或在同樣比特率下可大幅提高視頻質(zhì)量。鑒于此，越來(lái)越多的多媒體視頻運(yùn)用或系統(tǒng)采用HEVC作為視頻編碼解碼的標(biāo)準(zhǔn)。

隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，視頻在社會(huì)生活各層面廣泛應(yīng)用，其安全性也愈發(fā)受重視，視頻加密技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。視頻加密算法可分為全部加密算法與選擇性加密算法[3]。全部加密算法將視頻文件看作數(shù)據(jù)，使用傳統(tǒng)加密算法，如采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(advanced encryption standard，AES)[4]加密完整的視頻流，這種算法計(jì)算復(fù)雜度高、耗時(shí)長(zhǎng)，且易使加密后視頻與標(biāo)準(zhǔn)碼流格式不兼容。選擇性加密算法則通過(guò)對(duì)視頻數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵信息進(jìn)行加密，效率高且易保持兼容性，目前已逐漸成為視頻加密算法的主流研究方向[5]。根據(jù)加密和 解密過(guò)程中使用的密鑰是否相同，加密算法又可分為對(duì)稱加密算法(symmetric cipher)和非對(duì)稱加密算法(asymmetric cipher)。對(duì)稱加密算法開(kāi)源且算法相對(duì)簡(jiǎn)單、高效快速、加密強(qiáng)度較高，因此在信息安全領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)加密數(shù)據(jù)的處理手段不同，對(duì)稱加密算法可分為分組密碼(block cipher)和流密碼(stream cipher)。分組密碼是將明文分為固定長(zhǎng)度的比特組，即“塊”，通過(guò)對(duì)稱密鑰對(duì)每塊進(jìn)行固定加密變換。其中確定性算法分組密碼將明文消息編碼表示的數(shù)字序列劃分成固定大小的組，在密鑰的控制下對(duì)各組分別進(jìn)行加密變換，從而獲得輸出數(shù)字序列。目前常用的分組密碼有AES、數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)(data encryption standard，DES)[6]等，分組密碼由于其分塊加密的特性，適用于大容量數(shù)據(jù)加密。但DES由于密碼長(zhǎng)度有限易于被暴力破解，后來(lái)針對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行3次DES加密，形成DESede，其加密性能大為提高。

鑒于以上分析，兼顧高效視頻編碼(HEVC)壓縮率高、高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)與DESede算法混合加密安全性及選擇性加密的兼容性等特點(diǎn)，在HEVC編碼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，編碼讀取YUV視頻且對(duì)每一幀的Y，U，V分量數(shù)據(jù)分別采用AES或DESede算法進(jìn)行混合加密，以保證加密方法的兼容性與安全性。

1 加密算法

1.1 YUV

YUV是一種顏色模型，基于YUV的顏色編碼是流媒體的常用編碼方式，可作為彩色圖像信道的一部分來(lái)使用[7]。YUV在編碼彩色圖像或視頻時(shí)考慮人類感知，允許色度分量的帶寬減少，相比RGB色彩空間，其能讓傳輸錯(cuò)誤或壓縮效應(yīng)更有效地被人類的感知所掩蓋。

YUV色彩空間定義一個(gè)亮度分量Y和2個(gè)色度分量U與V，其中亮度分量Y和色度分量U與V是分離的，Y分量表示灰度信息，U，V分量分別表示圖像色彩和飽和度。常見(jiàn)的YUV編碼格式有YUV444，YUV422和YUV420，由于人類視覺(jué)的感知特性，色度分量比例減少并不會(huì)對(duì)視覺(jué)感知產(chǎn)生太大影響。

1.2 AES加密算法

高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)是2001年由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）提出的電子數(shù)據(jù)加密規(guī)范。AES算法作為Rijndael算法的一個(gè)變體，其加密塊固定為128位，密鑰長(zhǎng)度可以是128，192或256位。密鑰長(zhǎng)度決定加密輪數(shù)，128位密鑰的加密輪數(shù)為10輪，192位密鑰的加密輪數(shù)為12輪，256位密鑰的加密輪數(shù)為14輪[8]。隨著加密輪數(shù)的增大，加密強(qiáng)度增強(qiáng)，安全性提高，計(jì)算的復(fù)雜度亦提高。圖1所示為128位加密流程框圖。每128位的明文分為一個(gè)明文塊，將明文塊按列主序組成一個(gè)4×4的矩陣，每輪加密包括固定的4個(gè)步驟：字節(jié)替換(sub bytes)；行左移(shift rows)；列混合(mix columns)；輪密鑰加(add round key)。其中第一輪只進(jìn)行輪密鑰加，最后一輪沒(méi)有列混合，每一輪加密得到的結(jié)果，稱為狀態(tài)(state)。

圖1 128位AES加密算法流程框圖Fig.1 Flow diagram 128 bitAES encryption algorithm

字節(jié)替換即利用AES定義的S盒將狀態(tài)中的元素通過(guò)查表替換為S盒中的元素，規(guī)則是將狀態(tài)字節(jié)的高4位取為行，低4位取為列，取行列值對(duì)應(yīng)S盒中的元素替換當(dāng)前元素。將狀態(tài)矩陣循環(huán)移位進(jìn)行行左移，其中第一行位置不變，第二行左移一位，第三行左移兩位，第四行左移三位。再把行左移后的矩陣和系數(shù)矩陣相乘進(jìn)行列混合，最后將每輪的密鑰與狀態(tài)矩陣進(jìn)行異或操作，完成一輪加密。AES算法僅使用運(yùn)算-乘法(*)和異或(⊕)，加密的核心步驟是列混合，即在伽羅華域(GF)(28)上實(shí)行多項(xiàng)式間的除法運(yùn)算[9]，如

其中0≤c≤3。

1.3 DESede加密算法

DES將數(shù)據(jù)每64位分成一組進(jìn)行處理，其中有效密鑰長(zhǎng)度為56位，8位為奇偶校驗(yàn)位。在加解密過(guò)程中，將64位明文打亂重排，分作32位的左右兩組，根據(jù)密鑰進(jìn)行16次非線性變換。多輪的混合操作與密碼交換使明文和密鑰完全融合，成為一個(gè)不可逆的算法，具有較高的安全性[10]。變換公式如

其中：Li，Ri分別為左右兩組數(shù)據(jù)；1≤i≤16別為；Ki為密鑰；f為用于加密的非線性函數(shù)。

f函數(shù)首先將每組的32位擴(kuò)展為48位，再分別與子密鑰進(jìn)行異或，將結(jié)果拆分為8組，每組6位，再利用S盒做替換，最終根據(jù)逆選擇置換表進(jìn)行逆初始變換，得到分組的密文。子密鑰則是將56位有效密鑰打亂排列后重新分為兩組，進(jìn)行循環(huán)左移變換得到，其公式如

其中：Ci和Di為打亂后的兩組密鑰；Si為循環(huán)左移變換，在i=1，2，9，16時(shí)，Si循環(huán)左移1位，取其他值時(shí)則循環(huán)左移2位。隨著超級(jí)計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，計(jì)算能力大大提升，56位密鑰難以抵擋強(qiáng)力攻擊。

為解決DES密鑰過(guò)短的問(wèn)題，DESede使用3組DES密鑰K1，K2和K3，每組密鑰均為56位，以提升加密能力，其加密算法如

其中：C表示密文；P表示明文；EK()和DK()表示加密解密過(guò)程。其加密算法原理如圖2。對(duì)明文先用密鑰K1加密，再用密鑰K2解密，最后用密鑰K3加密。3個(gè)密鑰相互獨(dú)立，加密強(qiáng)度最大時(shí)，3個(gè)密鑰互不相同，相當(dāng)于用168位的密鑰進(jìn)行加密，雖仍易受到中間相遇攻擊，但需2128步才會(huì)被攻破，安全性得以提高。在對(duì)安全性要求不高的情況下，令K1＝K3，此時(shí)密鑰為 112位[11]。當(dāng)K1＝K2＝K3時(shí)，DESede算法退化為DES算法。

圖2 DESede加密算法原理Fig.2 Principle of DESede encryption algorithm

1.4 混合加密算法

文中選取128位AES算法與112位DESede算法。相較而言，DESede算法的計(jì)算耗時(shí)比AES算法要長(zhǎng)，而Y的數(shù)據(jù)量一般比U，V的數(shù)據(jù)量大，故選擇用AES算法對(duì)Y分量加密，用DESede算法對(duì)U，V分量加密，由此兩部分構(gòu)成加密混合加密算法?；旌霞用芩惴ㄔ砣鐖D3。在HEVC編碼器中，對(duì)讀入的YUV文件每一幀分別調(diào)用進(jìn)行加密。Y，U，V分量分別存儲(chǔ)，其中Y分量采用AES算法（加密算法1）加密，U，V分量采用DESede算法（加密算法2）加密，再對(duì)加密后的Y，U，V各分量進(jìn)行HEVC編碼，最終得到加密視頻。由于采用對(duì)稱加密算法，加密后的數(shù)據(jù)格式保持不變，播放器能夠正常播放未解密的視頻，兼容性得以保證。

圖3 混合加密算法原理Fig.3 Principle of hybrid encryption algorithm

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)視頻序列為akiyo，football和foreman，采用的配置文件為encoder_lowdelay_main.cfg，量化QP參數(shù)為30。測(cè)試序列的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)存為4.00 GB，CPU為Inter(R)Core(TM)i7-6560U CPU@2.20 GHz。

針對(duì)3種視頻序列akiyo，football和foreman，分別采用加密Y分量、UV分量及混合加密3種算法對(duì)其進(jìn)行加密，其第10幀加密結(jié)果如圖4。圖中：(a)～(d)為akiyo視頻序列；(e)～(h)為football視頻序列；(i)～(l)為foreman視頻序列。從圖4可看出：只加密Y分量時(shí)，圖像的基本信息得到很好的隱藏，但色彩比較單一，紋理不復(fù)雜的區(qū)域還可看出輪廓；僅加密U，V分量時(shí)，色彩信息得到隱藏，視覺(jué)體驗(yàn)不佳，但可看到基本的視頻信息；進(jìn)行混合加密時(shí)，原圖的基本信息得以隱藏，加密效果良好。

圖4 加密算法結(jié)果Fig.4 Results of encryption algorithm

視頻序列加密前后的峰值信噪比(PSNR)可表征加密算法的安全性，PSNR越小，加密算法安全性越好。PSNR定義如下

其中：I(i,j)表示原始圖像像素值；I′(i,j)表示加密后圖像；M，N表示圖像尺寸；I(i,j)max表示信號(hào)的峰值。對(duì)式(5)取對(duì)數(shù)，將PSNR值換算成標(biāo)準(zhǔn)單位，dB。

表1 3種方案下視頻序列加密前后的PSNR值，dBTab.1 PSNR of video sequence values before and after encryption under three schemes,dB

計(jì)算不同方案下3種視頻序列加密前后的峰值信噪比(PSNR)，結(jié)果如表1。從表1可看出：?jiǎn)渭兗用躑，V分量對(duì)PSNR值的影響不大，加密效果不理想；單純加密Y分量的PSNR值出現(xiàn)減小，但降低幅度不大，平均降低10 dB；混合加密的效果最佳，PSNR值最小，降低幅度最大，平均降低18 dB。說(shuō)明本算法具有良好的感知安全性。

3 結(jié) 論

傳統(tǒng)視頻加密方法計(jì)算量大且無(wú)法保證兼容性，提出一種基于HEVC的選擇性混合加密算法，以HEVC編碼器中讀入的YUV視頻幀數(shù)據(jù)為加密對(duì)象，用AES算法對(duì)Y分量加密，DESede算法對(duì)U，V分量加密的混合加密算法。由于HEVC編碼的高效性，加密的數(shù)據(jù)量減小，從而可減小其計(jì)算量。分別采用加密Y分量、UV分量及混合加密3種方案對(duì)3種視頻數(shù)據(jù)akiyo，football和foreman進(jìn)行加密。結(jié)果表明，提出的混合加密算法兼顧兼容性與安全性，且在其中一個(gè)算法被攻破的情況下，還能保持視頻部分信息的加密狀態(tài)?；贖EVC的選擇性加密算法今后還需在以下方面深入研究：

1)采用其他加密算法，如混沌加密等進(jìn)行加密處理；

2)將HEVC編碼器中的DCT系數(shù)、熵編碼算法等與YUV加密結(jié)合起來(lái)，考慮對(duì)多個(gè)位置進(jìn)行加密。