基于超混沌RC4的視頻流加密算法

田 璐，謝淑翠，張建中

(1.西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710061；2.陜西師范大學(xué) 數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710062)

基于超混沌RC4的視頻流加密算法

田 璐1，謝淑翠1，張建中2

(1.西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710061；2.陜西師范大學(xué) 數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710062)

為保證視頻傳輸過程中的安全性，提出了一種基于超混沌與RC4相結(jié)合的視頻加密算法。利用四維超混沌映射產(chǎn)生4個偽隨機(jī)序列，將其分別作為RC4算法的種子密鑰，實(shí)現(xiàn)DC系數(shù)、非零AC系數(shù)符號和運(yùn)動矢量MV符號的聯(lián)合加密。仿真加密算法的同時對算法的加密效果和安全性進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法具有較大的密鑰空間、較高的密鑰敏感性以及較高的安全性。

超混沌；RC4；視頻加密

隨著多媒體應(yīng)用的快速發(fā)展，大量公開的和私有的圖像和視頻等多媒體信息被通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，這一領(lǐng)域的信息安全已得到商業(yè)和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。如何將多媒體信息進(jìn)行安全地傳送成為一個至關(guān)緊要的問題。視頻加密是其首要的解決方法。

近年來，人們已經(jīng)提出了多種視頻加密算法。Lei Tang[1]提出了利用Zigzag置亂DCT(Discrete Cosine Transformation)系數(shù)的加密算法。Shi[2]提出了利用流密碼加密DCT系數(shù)符號和運(yùn)動矢量符號的MPEG視頻流加密算法。Kezia[3]提出了基于Lorenz混沌映射的數(shù)字視頻加密算法。

本文在上述加密算法的基礎(chǔ)上，提出了一種將加密與壓縮過程相結(jié)合的視頻加密算法。利用超混沌系統(tǒng)生成四個偽隨機(jī)序列，將其分別用作RC4的種子密鑰，產(chǎn)生新的隨機(jī)序列，用來加密DC系數(shù)、AC系數(shù)符號和運(yùn)動矢量符號。

1 算法基礎(chǔ)

1.1 超混沌系統(tǒng)

混沌是一種貌似無規(guī)則的運(yùn)動，具有不可預(yù)測性、對初始值的敏感性等一系列特征，因而被廣泛應(yīng)用在圖像/視頻加密領(lǐng)域。然而，低維混沌系統(tǒng)因其參數(shù)少、密鑰簡單，在安全性方面存在明顯不足。超混沌系統(tǒng)是一種特殊的系統(tǒng)，可以克服一般混沌系統(tǒng)的缺點(diǎn)。它具有多個參數(shù)、兩個或兩個以上正的Lyapunov指數(shù)和相對復(fù)雜的動力學(xué)行為。同時，它能夠提高系統(tǒng)的抗破譯能力，因此，本文采用基于超混沌的視頻加密算法，將獲得更高的安全性。

文獻(xiàn)[4]在Chen氏系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了一個新的超混沌系統(tǒng)，其定義如下

(1)

1.2 RC4

RC4是Ronald Rivest在1987年為RSA公司設(shè)計(jì)的一種流密碼。它采用隨機(jī)置換算法和對稱密鑰技術(shù)，具有密鑰長度靈活可變、基于字節(jié)操作等特點(diǎn)。該算法簡單、易于實(shí)現(xiàn)、加解密速度快。

整個RC4算法包含2個部分：密鑰編排算法(Key Scheduling Algorithm， KSA)以及偽隨機(jī)序列生成算法(Pseudo Random Generation Algorithm， PRGA)。KSA算法中的S盒包含N個元素(N=2n，通常n=256)，遍歷0到N-1，由種子密鑰k對其進(jìn)行置亂，得到新的S盒。PRGA算法在新的S盒間進(jìn)行隨機(jī)置換，產(chǎn)生加密密鑰，即隨機(jī)序列。從上述描述可知，RC4的安全性取決于種子密鑰和內(nèi)在的S盒，因此本文采用超混沌序列作為其種子密鑰，提高算法的安全性。

2 算法設(shè)計(jì)

本算法方案[5]取在量化之后熵編碼之前，為了減少運(yùn)算量和密鑰開銷且不影響壓縮效率，首先，如果選在量化之前對視頻進(jìn)行加密，經(jīng)過量化后，很多系數(shù)會變成0，那么就會浪費(fèi)分配好的密鑰。其次，量化之前的加密，會破壞DCT系數(shù)自身的統(tǒng)計(jì)特性和ZigZag特性，故選擇在量化之后對DCT系數(shù)和運(yùn)動矢量符號進(jìn)行加密，這樣就不會對壓縮比和碼率產(chǎn)生較大影響，能獲得非常好的加密效果[6]。

2.1 基于超混沌的改進(jìn)RC4加密算法

RC4[7]是一個基于隨機(jī)置換的對稱密鑰算法，其采用異或運(yùn)算進(jìn)行加密，若子密鑰序列中出現(xiàn)重復(fù)子序列，密文被破解的幾率就大大增加。傳統(tǒng)的超混沌加密算法對抗差分攻擊效果不好。針對上述問題，本文提出一種改進(jìn)型的RC4加密算法，其主要思想是利用超混沌系統(tǒng)產(chǎn)生的隨機(jī)序列作為RC4的種子密鑰發(fā)生器，隨機(jī)生成序列密鑰，增加密鑰的隨機(jī)性[8]。其步驟如下：

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

(2)

2.2 加/解密算法

(3)

(4)

(5)

分別計(jì)算得到3個新的超混沌序列Xk，Yk，Zk，用來加密AC系數(shù)和運(yùn)動矢量。

2.2.1 加密DC系數(shù)

圖像/視頻經(jīng)過DCT變換后，使得低頻部分集中了大部分的能量，因此，為了更好地破壞圖像的可理解性，本文選擇對低頻部分的系數(shù)進(jìn)行改變。同時保證減少密鑰的開銷，降低對壓縮比的影響，又能達(dá)到相對較好的加密效果，本文采用下述算法對DC系數(shù)進(jìn)行加密：

步驟1，得到宏塊總數(shù)M，求滿足條件(2t-1

步驟3，重復(fù)步驟2得到M個隨機(jī)數(shù)；

步驟4，用洗牌算法把這M個數(shù)映射到[1，M]上，產(chǎn)生[1，M]上隨機(jī)但不重復(fù)的整數(shù)；

步驟5，用這M個整數(shù)組成置亂矩陣對DC系數(shù)進(jìn)行置亂；

步驟6，重復(fù)步驟1～4，生成M′，對置亂后的DC系數(shù)進(jìn)行擴(kuò)散。

2.2.2 加密非零AC系數(shù)符號

由于AC系數(shù)和DC系數(shù)之間的相關(guān)性，同時AC系數(shù)能反應(yīng)出圖像的細(xì)節(jié)，因此需要加密AC系數(shù)的符號位。考慮量化后的交流系數(shù)AC中，含有大量的0，如果全部加密，勢必會增加密鑰的開銷，因此，本文選擇加密非零AC系數(shù)的符號位，這樣會大大簡化計(jì)算復(fù)雜度，同時對熵編碼后的壓縮比不產(chǎn)生太大的負(fù)面影響。具體步驟如下：

步驟1，將式(5)產(chǎn)生的的混沌序列Zk根據(jù)式(6)計(jì)算

yn=(sign(xn)+1)/2,n=0,1,2,…,N-1

(6)

2.2.3 加密運(yùn)動矢量符號

視頻圖像中的運(yùn)動信息主要由運(yùn)動矢量表示，因此對運(yùn)動矢量進(jìn)行加密，可以有效防止攻擊者對P幀和B幀的破解。同時為了降低加密過程的運(yùn)算復(fù)雜度，本文僅選擇對運(yùn)動矢量的符號位進(jìn)行加密。因?yàn)檫\(yùn)動矢量采用差分編碼，加密其符號位可同時改變運(yùn)動矢量的方向和大小。另外，運(yùn)動矢量的編碼是在壓縮比不變的基礎(chǔ)上，對符號位進(jìn)行單獨(dú)編碼。其加密采用異或算法，與2.2.2中的加密方法一樣。如果運(yùn)動矢量大于等于0，它的符號用“1”表示；如果小于0，就用“0”表示。這樣，所有運(yùn)動矢量的符號可以組合成字節(jié)。利用式(3)、式(4)產(chǎn)生的序列Xk，Yk分別與x，y方向的運(yùn)動矢量按位異或。

3 仿真結(jié)果

本算法利用MATLAB2012a平臺進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，查看其加密性能。使用QCIF格式(352×288)的bus.yuv的視頻序列進(jìn)行測試。超混沌系統(tǒng)的初始值分別為[1.378，-0.581，1.649，1.528]，迭代次數(shù)N0=25，控制參數(shù)k=0.4。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1～圖2所示。圖1為bus.yuv第5幀截圖，圖2為加密后bus.yuv第5幀截圖。

圖1 bus原始圖像

圖2 bus加密圖像

4 安全性分析

4.1 密鑰空間分析

在本文算法中，分別應(yīng)用DC系數(shù)加密、AC系數(shù)符號加密和運(yùn)動矢量符號加密。因此密鑰空間由4個初始密鑰x0，y0，z0，w0和迭代次數(shù)N0組成。假設(shè)DC系數(shù)加密過程為P1，AC系數(shù)符號加密過程為P2，運(yùn)動矢量x方向加密過程為P3，運(yùn)動矢量y方向加密過程為P4，迭代次數(shù)N0為P5，則該算法密鑰空間為P=P1×P2×P3×P4×P5。這里，每個參數(shù)精度都可達(dá)10-16，密鑰空間可達(dá)10-80，在實(shí)際使用過程中，即使精度稍有降低，密鑰空間也仍然很大，足以抵抗窮舉攻擊。

4.2 密鑰敏感性分析

參數(shù)的敏感性直接影響到加密系統(tǒng)的密鑰空間大小，因?yàn)閰?shù)越是敏感，實(shí)際有效的密鑰量就越大，更能有效地抵抗窮舉攻擊。

一個優(yōu)秀的密碼系統(tǒng)應(yīng)該對密鑰具有極端的敏感性，并在一定程度上保證密碼系統(tǒng)抵抗暴力攻擊的安全性。因此，對本文算法進(jìn)行密鑰敏感性測試。給初始值加入一個1016的改變，將其作為加密密鑰，用加密的結(jié)果與初始密鑰得到的視頻序列進(jìn)行比較。由圖3可以看出，初始密鑰極微小的改變也會產(chǎn)生完全不同的加密結(jié)果。

圖3 密鑰敏感性測試

4.3 直方圖分析

圖像的直方圖可以顯示像素在圖像中的亮度水平分布。如圖4所示分別為原始視頻圖像和加密視頻圖像的統(tǒng)計(jì)直方圖。

圖4 視頻圖像直方圖比較

根據(jù)原始視頻圖像和加密視頻圖像的直方圖可以看到，加密后圖像的直方圖呈均勻分布狀態(tài)，與加密前的完全不同。因此，攻擊者無法根據(jù)視頻圖像的統(tǒng)計(jì)特性破譯出原始視頻，本文中算法足以抵抗統(tǒng)計(jì)分析攻擊[9-10]。

4.4 相關(guān)性分析

原始數(shù)字視頻相鄰像素間通常具有較高的相關(guān)性。香農(nóng)提出擴(kuò)散和置亂兩種方法可以抵抗基于統(tǒng)計(jì)分析的攻擊，而加密算法的本質(zhì)就是對視頻像素進(jìn)行置亂和擴(kuò)散。理想的加密算法應(yīng)該使加密視頻相鄰像素間零相關(guān)性[11-12]。

原始視頻和加密視頻一幀中相鄰像素在垂直、水平以及對角方向上的相關(guān)系數(shù)可以由式(7)計(jì)算得到

(7)

本文從水平、垂直以及對角方向隨機(jī)選取1 000對相鄰像素對，分別進(jìn)行相關(guān)系數(shù)計(jì)算。表1列出了不同方向上的相關(guān)系數(shù)值。圖5分別顯示原始視頻和加密視頻一幀垂直方向上兩個相鄰像素間的相關(guān)系數(shù)。

表1 相關(guān)系數(shù)

圖5 垂直方向相鄰像素相關(guān)性比較

4.5 計(jì)算量分析

本加密算法僅加密視頻流中少量的關(guān)鍵信息，在對非零AC系數(shù)符號、運(yùn)動矢量系數(shù)符號加密時，僅用異或運(yùn)算，計(jì)算量很小。故其加密或解密的速度是非常快的，計(jì)算量很低，適用于實(shí)時加密。

5 結(jié)論

本文結(jié)合超混沌系統(tǒng)和RC4的特點(diǎn)提出了一種安全的視頻加密方案。因?yàn)槌煦缦到y(tǒng)對初始條件的敏感性，在加密視頻過程中可以大大提高參數(shù)的安全性。將經(jīng)過RC4加密的超混沌序列加密參考幀的DC系數(shù)、AC系數(shù)運(yùn)動矢量。仿真結(jié)果和性能分析表明，該算法具有足夠大的密鑰空間和快速的加密效率，從而保證了視頻的安全性。

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張建中(1960— )，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樾畔踩c密碼學(xué)及認(rèn)證理論。

責(zé)任編輯：時 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

【本文獻(xiàn)信息】田璐，謝淑翠，張建中.基于超混沌RC4的視頻流加密算法[J].電視技術(shù),2015，39(11).

TN929

A

10.16280/j.videoe.2015.11.004

田 璐(1989— )，女，碩士生，主要研究方向網(wǎng)絡(luò)與信息安全；

謝淑翠(1964— )，女，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槊艽a學(xué)與信息安全；

2015-04-21