一种基于新时空混沌系统的视频加密算法
【专利摘要】一种基于时空混沌系统的H.264视频加密算法，属于多媒体信息安全【技术领域】本发明。针对H.264视频加密算法很难同时满足实时性、高安全性、复杂度低的要求。本发明通过设计复杂时空混沌系统模型,构造复合混沌密码算法,设计生成更为安全的不易被攻破的加密伪随机序列.同时通过选择加密控制技术,对帧内帧间预测模式,CAVLC编码过程编码前的残差数据扫描顺序及编码中的多处关键数据进行加密。理论分析和实验结果表明,本发明算法加密速度快,安全性高,对压缩比影响小,同时做到了保持视频格式的无损性，具有广泛的应用前景和实用价值。
【专利说明】一种基于新时空混沌系统的视频加密算法
【技术领域】
[0001] 本发明属于多媒体信息安全【技术领域】，具体涉及一种基于时空混沌系统的H. 264 视频加密算法。
【背景技术】
[0002] 随着计算机网络技术及无线移动通讯技术的不断发展与创新，数字媒体数据（包 括图像、声音、视频等）在人们的生活中使用也越来越广泛，因此，基于网络传输的多媒体 视频应用也变得更加多样化，例如视频会议、视频点播、视频实时监控系统等相关领域。与 其他网络传输数据相同，如果视频数据在没有进行加密的情况就在开放的网络中传输会很 容易被人攻击，如数据拦截、信息窃取、数据篡改和数据添删等。视频数据的安全性对于多 媒体的应用至关重要，它已经成为目前视频技术发展的障碍。因此，如何既能充分的保证视 频服务的便利性，又能实施更加有效的视频加密技术成为了一个亟需解决的问题。
[0003] 目前国际上主流的视频压缩技术是H. 264/AVC是由ITU-T和IS0/IEC联合制定 的新一代视频编码标准，已经被广泛应用于许多多媒体应用领域，设计基于H. 264编解码 标准，同时尽量不影响压缩编码效率的加密算法是一项极具挑战和困难的工作。H. 264视频 编码数据具有格式特殊性、数据量大、实时应用处理能力要求高等特点，所以需要在设计加 密算法时专门考虑H. 264的编码格式，而DES、RSA等传统的加密算法已经越来越不适用于 H. 264的加密。目前基于H. 264编码格式而设计的加密算法的主要研究如下： Ahn等人根据H. 264数据编码格式的性质，对帧内预测模式进行了加密置乱，这种方法 针对视频中的所有I、P、B帧中的INTRA_4X4块和INTRA_16X16块预测模式分别进行随 机加扰，实现了一种高效实时的加密算法，并且该算法对视频数据的压缩比几乎没有影响； Spinsante等人则提出了选择部分加密算法，通过选择加密H. 264视频编码过程中的各种 参数包括量化参数，去块滤波系数，帧内预测模式等等，或者对上述参数进行全部加密，这 种方案的加密算法安全性不是很高，一般仅能用于商用，例如付费电视等；合肥工业大学的 蒋建国等人，则选择在H. 264熵编码CAVLC过程中选择加密部分重要参数，同时在指数哥伦 布编码过程中加密帧内预测模式，做到了在不影响压缩比的前提下，实现了快速H. 264加 密；Wang Y等人则在前人基础上，针对非零系数幅值设计可控加密效果的加密算法，实现了 可选加密效果的视频加密方案。
[0004] 通过分析不难发现，现有基于H. 264设计的视频加密算法中，安全性、实时性、压 缩比三者相互矛盾。算法实时性高，则安全性相对较低，不足以满足加密安全需求；安全性 高的算法，则其加密速度较慢，对视频数据的压缩比影响较大，同样不适用于实际应用。本 发明在前人研究的基础上，提出了一个针对H. 264编解码格式的基于新型复合时空混沌系 统的视频加密算法，该算法在损失极小的压缩效率和压缩比的情况下，设计选用更加复杂 的时空混沌系统产生伪随机序列流，选择多处编解码过程中的关键数据进行加密，使得加 密算法在保证实时性的同时提供了更高的安全性。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于针对现有视频技术存在的不足，提出了一个针对Η. 264编解码 格式的基于新型复合时空混沌系统的视频加密算法，该算法在损失极小的压缩效率和压缩 比的情况下，设计选用更加复杂的时空混沌系统产生伪随机序列流，选择多处编解码过程 中的关键数据进行加密，使得加密算法在保证实时性的同时提供了更高的安全性，其应用 领域极其广泛。
[0006] 其中，本发明要求保护的为一个针对Η. 264编解码格式的基于新型复合时空混沌 系统的视频加密算法，包括其具体算法内容及【具体实施方式】，在算法设计上，本发明创新性 的采用了时空混沌作为发明中用于加密的伪随机序列生成模型，构造新的本地方程，并对 用户密钥进行处理，消除混沌方程迭代影响，生成了随机性、安全性足够高的伪随机序列 流；同时，本发明提出了选择加密控制模块，将时空混沌加密模块和选择加密控制模块相结 合，导致每次加密过程的不确定性；在加密位置和数据的选择上，在选择帧内预测模式和帧 间分块模式以及拖尾系数符号位等传统加密位置的基础上，设计创新了一种基于残差数据 块扫描顺序的加密算法，在不影响原扫描顺序的特性的前提下，置乱了局部的扫描顺序，做 到了加密扰乱。最后根据算法内容设计实施具体的操作方式，实现了一种快速加解密视频 的Η. 264编解码平台，并保证了其高安全性和可操作性。
[0007] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是： 1.新时空混沌算法模型 采用一维耦合格子模型为： Xn+1(i) = (l-e)f(Xji))+e/2[f(Xn(i+l))+f(Xn(i-l))] (1) 式中η为离散化后的时间，i为格子的坐标，ε表示耦合强度（扩散系数），周期性边 界条件为xn(〇) =xn(L)。即耦合映像格子系统是一个将时间、空间离散化的动力学系统。
[0008] 2.设计基于新时空混沌的视频加密算法 本算法涉及两个主要模块，分别是选择加密控制模块和时空混沌加密模块，加密算法 的整体设计流程图如图1。
[0009] 原始视频流进入编码器进行压缩编码，其中帧内预测模式选择、帧间分块模式选 择后的模式数据通过选择加密控制模块进行选择加密，其他的编码残差数据进入CAVLC熵 编码过程，同样通过选择加密控制模块，对其编码过程中的相关编码系数利用时空混沌系 统产生的伪随机序列流进行选择加密。
[0010] 2. 1选择加密控制模块设计 在该模块中，我们选择较为常用的logistic方程生成一个伪随机序列流。该伪随机序 列用在加密这些位置时进行判断，根据伪随机序列的奇偶性来确定选择加密相关待加密数 据，当读取的值为1时则对当前对应的帧数据进行加密操作，相反，若为零，则选择当前对 应的帧数据进行不加密。具体选择控制如图2所示，加密选择控制伪随机序列生成器采用 公式（2)作为伪随机序列的生成方程： xi =μ Xi-i (l-Xi-i) (2) 其中4彡μ彡3. 569946,?的范围为（0, 1);这里为了生成用于选择控制的二值随机 序列，本文采用平均值阈值法，按公式（3)生成序列： aver = Σ Xj/n key [i] = 0; if Xj<aver; key [i] = 1; if Xj>aver; (3) 其中，n为原始浮点序列总长度，aver为生成的原始浮点序列的平均值，当当前序列值 Xi小于aver的时，生成一位二值序列值key [i]等于0,当Xi大于aver时，贝U生成一位二值 序列key[i]等于1 ;最终生成的二值伪随机序列key用于选择加密控制。
[0011] 待加密位置包括：帧内预测模式参数、帧间分块模式参数、CAVLC编码前zigzag 重排列残差数据，编码中拖尾系数符号位、非零系数幅值共五部分，通过添加加密控制模 块，一方面，每次加密操作的数据并没有增加多少，保证了加密算法的实时性；另一方面，由 于又引入了一个选择加密模块，使得本方案变为动态加密，每一次加密子过程的加密数据 与加密效果都不一样，使得算法的加密安全性更高，可以取得更好的加密效果。
[0012] 2. 2时空混沌方程设计与性能分析 在设计加密控制模块的基础之上，本发明基于时空混沌系统设计了时空混沌加密模 块，如图3所示，该模块通过用户输入密钥，将该密钥送入时空混沌系统，通过时空混沌盒 子初始值获取，数据截位，变换，最后生成用于加密的长度为512bit的伪随机序列流，由上 节看出，耦合映像格子系统是一个将时间空间离散化，但状态变量仍然保持连续的动力学 系统。我们这里即选用邻近时空混沌模型： Xn+1(i) = (l-e)f(Xn(i))+e/2[f(Xn(i+l))+f(Xn(i-l))] (4) 式中η为离散化后的时间，i表示格子空间坐标，ε为耦合强度，取值范围0< ε <1， f (X)为局部混沌映射，f(x)算法选择如下： Xi+1 = 8*Xi4 - 8?/ + 1 (5) 作为局部f(x)混沌方程，x的取值范围为（-1，1)。
[0013] 通过测试本时空混沌中局部混沌映射公式（5)的相关数据包括Lyapunov指数和 近似熵指数如表1、表2和表3: 表1局部泡沛映射Lvanunov指数对比
【权利要求】
1. 一种基于时空混沌系统的Η. 264视频加密算法，其特征在于，首先设计两个加密模 块，分别为选择加密控制模块和时空混沌加密模块，在加密控制模块中，选择较为常用的 logistic方程生成一个伪随机序列流，通过该序列用以在加密这些位置时进行判断，根据 伪随机序列的奇偶性来确定选择加密H. 264视频编码过程中帧内预测模式、帧间分块模 式，CAVLC编码过程前残差数据扫描顺序及编码中的多处关键数据进行加密；而通过设计 复杂的时空混沌加密模块，构造符合混沌密码算法，设计生成更为安全的不易被攻破的加 密伪随机序列。
2. 根据权利要求1所述的一种视频加密方案的模块设计方法，其特征在于，选择加密 控制模块与时空混沌加密模块相结合，导致每次加密过程的不确定性，提高了加密算法的 多变与抗攻击性。
3. 根据权利要求1所述的一种时空混沌加密模块的设计方法，其特征在于，模 块选用了基于耦合映像格子模型的时空混沌系统，采用了 Xi+1 = 8*Χ/_ 8*X/ + 1 作为本地方程。
4. 根据权利要求1所示的一种时空混沌加密模块的设计方法，其特征在于，用户密钥 的输入处理，迭代消除初值影响方法，伪随机序列截取方式以及对序列进行的函数变换保 证了生成的伪随机序列有非常良好的随机性。
5. 根据权利要求1所示的一种视频加密方案的设计方法，其特征在于，方案选择了帧 内帧间预测模式、CAVLC编码过程之前的残差数据的扫描顺序以及编码过程中中的拖尾系 数符号位和非零系数赋值进行加密或置乱操作。
6. 根据权利要求5所示的一种加密编码过程之前的残差数据的扫描顺序的加密方法， 其特征在于，在整体加密扫描顺序达到加密效果的前提下，对残差数据的扫描特性没有产 生较大的影响，进而保证视频编码的压缩性能没有太大的降低。
【文档编号】H04N19/46GK104093029SQ201410349710
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月22日 优先权日:2014年7月22日
【发明者】佟晓筠, 李凌昊, 王翥, 张淼, 刘杨 申请人:哈尔滨工业大学（威海）