基于H.265的雙重混沌視頻加密算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

姚剛 王誠(chéng)成 顧佼佼 牟俊杰 王永生

摘 ? 要：隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，視頻信息安全技術(shù)越發(fā)受到人們的關(guān)注，視頻加密問(wèn)題也正逐漸成為當(dāng)今社會(huì)研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。文章設(shè)計(jì)了一種基于H.265編碼標(biāo)準(zhǔn)的視頻加密方法，解決現(xiàn)今許多視頻加密技術(shù)存在的安全性和實(shí)時(shí)性不平衡的問(wèn)題。采用混沌貓映射算法對(duì)視頻的U幀、V幀進(jìn)行加解密，通過(guò)Logistic混沌映射算法對(duì)Y幀進(jìn)行加解密，兩種算法相結(jié)合不但解決了低維混沌序列保密性不夠和高維混沌系統(tǒng)加密速率慢的缺點(diǎn)，而且提高了安全性和實(shí)時(shí)性。

關(guān)鍵詞：H.265;混沌貓映射;Logistic混沌映射;視頻加密;信息安全;算法設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TP311 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： With the rapid development of network technology， people pay more and more attention to video information security technology， and video encryption is gradually becoming the focus of social research. In this paper， a video encryption method based on H.265 encoding standard is designed to solve the imbalance of security and real-time in many video encryption technologies. Chaotic cat mapping algorithm is used to encrypt and decrypt U frame and V frame of video， and Logistic chaotic mapping algorithm is used to encrypt and decrypt Y frame. The combination of the two algorithms solves the problems of low-dimensional chaotic sequence security and low-speed encryption of high-dimensional chaotic system， and improves the security and real-time performance.

Key words： H.265;arnold mapping;logistic chaotic mapping;video encryption; ?information security;algorithm design

1 引言

隨著多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展，視頻圖像等信息都通過(guò)多媒體技術(shù)進(jìn)行傳輸。一旦這些信息泄露或遭受攻擊，不僅會(huì)危害個(gè)人信息安全，嚴(yán)重的還會(huì)危害到社會(huì)安全，對(duì)傳輸?shù)男畔?nèi)容進(jìn)行加密保護(hù)可以有效地阻止別人對(duì)其竊取。因此，視頻信息安全技術(shù)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

H.265的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)比上一代H.264的壓縮率更高，在相同的視頻質(zhì)量下，只需要原來(lái)編碼的50%左右。同時(shí)，H.265采用了并行處理，使得軟硬件實(shí)現(xiàn)都更加出色。

視頻加密的傳統(tǒng)方法包括RSA、DES、AES等算法，這些算法大部分都只對(duì)視頻頭幀或頭文件進(jìn)行加密，并且加密效果不夠高，容易破解。因此，研究一種新的安全性高、加密速度快的方法很有必要。由于混沌信號(hào)不但具有傳統(tǒng)加密算法的特性，并且產(chǎn)生密鑰的速度非?？?。因此，本文將混沌算法與視頻加密相結(jié)合，以混沌序列替代傳統(tǒng)的密鑰，不但具有更高安全性，而且加密速度快。

2 現(xiàn)有加密方法分析

視頻數(shù)據(jù)擁有數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型繁多、集成度高、時(shí)效要求高等特點(diǎn)，這些新的特點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的承受能力提出了巨大的挑戰(zhàn)。為了更好地完成對(duì)視頻文件的加密，需要在保證實(shí)時(shí)性的同時(shí)，盡量保護(hù)數(shù)據(jù)的完整性。雖然目前已出現(xiàn)多種被廣泛應(yīng)用和認(rèn)可的密碼算法，如DES、AES和RSA等，但由于視頻信息與普通文本不同，這些傳統(tǒng)的通用密碼算法已很難滿足視頻加密在安全性、實(shí)時(shí)性和格式保持性等方面的特殊需求。比如：非對(duì)稱密鑰算法RSA的加密效果好，但是產(chǎn)生密鑰繁瑣，實(shí)現(xiàn)一次一密比較繁雜;DES算法的安全性相對(duì)比較高，但是通過(guò)計(jì)算機(jī)的并行計(jì)算可以進(jìn)行破解，且用于大數(shù)據(jù)量的視頻數(shù)據(jù)較難;AES算法優(yōu)化了加密速度，目前沒(méi)有被破解的記錄，但是應(yīng)用于多媒體有一定的局限性。

混沌是具有高自由度的確定性非線性動(dòng)力系統(tǒng)，其自身的諸多特性與密碼學(xué)的要求存在許多相似之處。由于混沌所產(chǎn)生的迭代軌道具有非周期性、類噪聲性的特征，使其具有隨機(jī)序列的屬性;而混沌系統(tǒng)對(duì)初始條件和參數(shù)的高度敏感，又使得混沌迭代軌道具有長(zhǎng)期不可預(yù)測(cè)性。同時(shí)，混沌密碼的可移植性強(qiáng)、軟硬件實(shí)現(xiàn)方便、加密速度快、安全性高，適于處理高實(shí)時(shí)性、大數(shù)據(jù)量的視頻信息。

3 方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 方案設(shè)計(jì)

由于常規(guī)加密算法固有的局限性和混沌加密特有的優(yōu)勢(shì)，混沌加密成為一新的發(fā)展動(dòng)態(tài)。目前，混沌密碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要有兩種思路：一是利用混沌系統(tǒng)生成偽隨機(jī)密鑰流，該密鑰流直接用于掩蓋明文;二是把明文或密鑰設(shè)置為初始條件和控制參數(shù)，然后迭代多次得到密文?；煦缧蛄屑用軙r(shí)，將混沌序列作為加密序列，對(duì)明文進(jìn)行軌跡映射，經(jīng)過(guò)連續(xù)多次迭代后，將迭代次數(shù)作為密鑰的一部分。當(dāng)密文傳輸?shù)綄?duì)方后，對(duì)方利用解密密鑰構(gòu)造出解密序列對(duì)密文進(jìn)行解密，提取出明文信息。

如果僅使用混沌流密碼對(duì)視頻信息進(jìn)行加密，能具有很快的加密速度，但是安全性較低。而如果只使用混沌塊密碼對(duì)視頻信息進(jìn)行加密，將提高安全性，但實(shí)時(shí)性很難滿足要求。通過(guò)對(duì)各類加密算法的分析，本文結(jié)合各類算法的特點(diǎn)，將混沌貓映射與Logistic混沌映射作為2個(gè)混沌發(fā)生器，通過(guò)正逆序迭代產(chǎn)生的混沌序列對(duì)明文進(jìn)行加密。這種方案綜合了兩種混沌加密方式的優(yōu)點(diǎn)，因此能夠很好地滿足視頻加密的要求。它既解決了低維混沌序列保密性不夠和高維混沌系統(tǒng)加密速率慢的缺點(diǎn)，也提高了其安全性能。

由于H.265僅支持格式為YUV的視頻，研究時(shí)采用YUV格式的視頻源，加密方法為：

（1）將視頻源分解成Y幀、U幀及V幀;

（2）設(shè)置加密密鑰，及混沌貓映射中參數(shù)a、b及加密輪數(shù)M;Logistic混沌映射算法中的參數(shù)μ、X0等;

（3）Logistic混沌映射算法做N次，生成N個(gè)數(shù)據(jù)序列，而U、V幀數(shù)據(jù)分成P×P的數(shù)據(jù)塊;

（4）將Y幀的數(shù)據(jù)序列與Logistic混沌映射算法產(chǎn)生的序列進(jìn)行異或運(yùn)算，用貓映射將U、V幀像素點(diǎn)置亂;

（5）轉(zhuǎn)到步驟（4），做M次的混沌貓映射;

（6）重新組合加密后的數(shù)據(jù)，形成加密后的視頻。

加密過(guò)程框圖如圖1所示。

視頻解密過(guò)程實(shí)質(zhì)就是加密過(guò)程的逆過(guò)程，總的解密算法的過(guò)程框圖如圖2所示。

3.2 算法原理

3.2.1 混沌貓映射（Cat映射）

3.3 算法實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)，利用FFmpeg軟件完成YUV三幀的分割，利用C#語(yǔ)言進(jìn)行算法的編寫。

FFmpeg是一套可以用來(lái)記錄、轉(zhuǎn)換數(shù)字音頻、視頻，并能將其轉(zhuǎn)化為流的開(kāi)源計(jì)算機(jī)程序。FFmpeg在Linux平臺(tái)下開(kāi)發(fā)，但它同樣也可以在其它操作系統(tǒng)環(huán)境中編譯運(yùn)行，包括Windows、Mac OS X等。

C#是一種最新的、面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言。C#語(yǔ)言綜合VB可視化和C++的高效性，易于開(kāi)發(fā)。本文采用的IDE平臺(tái)是Microsoft Visual Studio 2012。

如圖3所示，利用Logistic映射進(jìn)行加解密的過(guò)程。

4 算法測(cè)試

本文對(duì)所編寫的算法進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試的內(nèi)容包括：本文算法對(duì)視頻進(jìn)行加密解密的效果、加密的安全性能。

4.1 功能測(cè)試

通過(guò)對(duì)視頻Y幀、U幀、V幀進(jìn)行加解密得出加解密結(jié)果如圖4、圖5、圖6所示。

通過(guò)加密，明顯可以看出原視頻幀已經(jīng)被置亂，已經(jīng)不能正常觀看視頻，視頻加密效果較好。解密后視頻恢復(fù)正常，視覺(jué)效果上與原視頻相差不大，解密效果良好。

4.2 安全性能分析

安全性是評(píng)價(jià)加密算法優(yōu)劣的重要指標(biāo)，本文主要從像素相關(guān)系數(shù)和信息熵兩個(gè)方面來(lái)評(píng)估安全性。

（1）像素相關(guān)系數(shù)分析

本文按照公式對(duì)像素相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)上式可計(jì)算出正確解密及錯(cuò)誤解密后得到的圖像與原始圖像像素相關(guān)系數(shù)，如表1所示，利用Logistic混沌映射進(jìn)行不同密鑰加密時(shí)相關(guān)系數(shù)的比較。

由表1中數(shù)據(jù)可以看出，正確解密時(shí)，即key1=0.1，key2=0.2時(shí)，解密后圖像與原圖像的像素相關(guān)系數(shù)為1，而當(dāng)使用錯(cuò)誤解密時(shí)，無(wú)論與初始值相差多么微小，均會(huì)出現(xiàn)相關(guān)系數(shù)接近0的現(xiàn)象，這就說(shuō)明，Logistic映射對(duì)于初始值極端敏感。

（2）信息熵分析

如表2所示可得，基于貓映射及Logistic變換對(duì)視頻幀加密，加密幀的信息熵與原幀完全一樣，這說(shuō)明加密的內(nèi)容沒(méi)有改變，只是進(jìn)行了位置移動(dòng)，對(duì)視頻保護(hù)較好。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文完成了基于H.265視頻編碼技術(shù)的雙重混沌加密算法的設(shè)計(jì)，并用C#語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了算法的基本思路。兩種方法的有機(jī)結(jié)合克服了單一算法的缺點(diǎn)且提高了安全性。本文算法后續(xù)的改進(jìn)還有很多工作要做，需要繼續(xù)發(fā)掘其存在的問(wèn)題并修復(fù)，并不斷完善此加密算法，使其在未來(lái)能夠在各領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

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