一種基于高效視頻編碼的選擇性混合加密算法

(哈爾濱工程大學信息與通信工程學院，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準。相比其前身H.264/AVC[2]，HEVC支持超高清分辨率的視頻，在相同視頻質量上其可提供2倍的數據壓縮率，或在同樣比特率下可大幅提高視頻質量。鑒于此，越來越多的多媒體視頻運用或系統采用HEVC作為視頻編碼解碼的標準。

隨著互聯網的不斷發展，視頻在社會生活各層面廣泛應用，其安全性也愈發受重視，視頻加密技術應運而生。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據，使用傳統加密算法，如采用高級加密標準(advanced encryption standard，AES)[4]加密完整的視頻流，這種算法計算復雜度高、耗時長，且易使加密后視頻與標準碼流格式不兼容。選擇性加密算法則通過對視頻數據中的關鍵信息進行加密，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]。根據加密和 解密過程中使用的密鑰是否相同，加密算法又可分為對稱加密算法(symmetric cipher)和非對稱加密算法(asymmetric cipher)。對稱加密算法開源且算法相對簡單、高效快速、加密強度較高，因此在信息安全領域得到廣泛應用。根據加密數據的處理手段不同，對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度的比特組，即“塊”，通過對稱密鑰對每塊進行固定加密變換。其中確定性算法分組密碼將明文消息編碼表示的數字序列劃分成固定大小的組，在密鑰的控制下對各組分別進行加密變換，從而獲得輸出數字序列。目前常用的分組密碼有AES、數據加密標準(data encryption standard，DES)[6]等，分組密碼由于其分塊加密的特性，適用于大容量數據加密。但DES由于密碼長度有限易于被暴力破解，后來針對每個數據塊進行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、高級加密標準(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，在HEVC編碼結構的基礎上，編碼讀取YUV視頻且對每一幀的Y，U，V分量數據分別采用AES或DESede算法進行混合加密，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使用[7]。YUV在編碼彩色圖像或視頻時考慮人類感知，允許色度分量的帶寬減少，相比RGB色彩空間，其能讓傳輸錯誤或壓縮效應更有效地被人類的感知所掩蓋。

YUV色彩空間定義一個亮度分量Y和2個色度分量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。常見的YUV編碼格式有YUV444，YUV422和YUV420，由于人類視覺的感知特性，色度分量比例減少并不會對視覺感知產生太大影響。

1.2 AES加密算法

高級加密標準(AES)是2001年由美國國家標準與技術研究所（NIST）提出的電子數據加密規范。AES算法作為Rijndael算法的一個變體，其加密塊固定為128位，密鑰長度可以是128，192或256位。密鑰長度決定加密輪數，128位密鑰的加密輪數為10輪，192位密鑰的加密輪數為12輪，256位密鑰的加密輪數為14輪[8]。隨著加密輪數的增大，加密強度增強，安全性提高，計算的復雜度亦提高。圖1所示為128位加密流程框圖。每128位的明文分為一個明文塊，將明文塊按列主序組成一個4×4的矩陣，每輪加密包括固定的4個步驟：字節替換(sub bytes)；行左移(shift rows)；列混合(mix columns)；輪密鑰加(add round key)。其中第一輪只進行輪密鑰加，最后一輪沒有列混合，每一輪加密得到的結果，稱為狀態(state)。

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

字節替換即利用AES定義的S盒將狀態中的元素通過查表替換為S盒中的元素，規則是將狀態字節的高4位取為行，低4位取為列，取行列值對應S盒中的元素替換當前元素。將狀態矩陣循環移位進行行左移，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矩陣相乘進行列混合，最后將每輪的密鑰與狀態矩陣進行異或操作，完成一輪加密。AES算法僅使用運算-乘法(*)和異或(⊕)，加密的核心步驟是列混合，即在伽羅華域(GF)(28)上實行多項式間的除法運算[9]，如

其中0≤c≤3。

1.3 DESede加密算法

DES將數據每64位分成一組進行處理，其中有效密鑰長度為56位，8位為奇偶校驗位。在加解密過程中，將64位明文打亂重排，分作32位的左右兩組，根據密鑰進行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分別為左右兩組數據；1≤i≤16別為；Ki為密鑰；f為用于加密的非線性函數。

f函數首先將每組的32位擴展為48位，再分別與子密鑰進行異或，將結果拆分為8組，每組6位，再利用S盒做替換，最終根據逆選擇置換表進行逆初始變換，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，進行循環左移變換得到，其公式如

其中：Ci和Di為打亂后的兩組密鑰；Si為循環左移變換，在i=1，2，9，16時，Si循環左移1位，取其他值時則循環左移2位。隨著超級計算機的出現，計算能力大大提升，56位密鑰難以抵擋強力攻擊。

為解決DES密鑰過短的問題，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()表示加密解密過程。其加密算法原理如圖2。對明文先用密鑰K1加密，再用密鑰K2解密，最后用密鑰K3加密。3個密鑰相互獨立，加密強度最大時，3個密鑰互不相同，相當于用168位的密鑰進行加密，雖仍易受到中間相遇攻擊，但需2128步才會被攻破，安全性得以提高。在對安全性要求不高的情況下，令K1＝K3，此時密鑰為 112位[11]。當K1＝K2＝K3時，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算法的計算耗時比AES算法要長，而Y的數據量一般比U，V的數據量大，故選擇用AES算法對Y分量加密，用DESede算法對U，V分量加密，由此兩部分構成加密混合加密算法。混合加密算法原理如圖3。在HEVC編碼器中，對讀入的YUV文件每一幀分別調用進行加密。Y，U，V分量分別存儲，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，再對加密后的Y，U，V各分量進行HEVC編碼，最終得到加密視頻。由于采用對稱加密算法，加密后的數據格式保持不變，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 實驗結果與分析

實驗視頻序列為akiyo，football和foreman，采用的配置文件為encoder_lowdelay_main.cfg，量化QP參數為30。測試序列的實驗平臺內存為4.00 GB，CPU為Inter(R)Core(TM)i7-6560U CPU@2.20 GHz。

針對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種算法對其進行加密，其第10幀加密結果如圖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，圖像的基本信息得到很好的隱藏，但色彩比較單一，紋理不復雜的區域還可看出輪廓；僅加密U，V分量時，色彩信息得到隱藏，視覺體驗不佳，但可看到基本的視頻信息；進行混合加密時，原圖的基本信息得以隱藏，加密效果良好。

圖4 加密算法結果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表示信號的峰值。對式(5)取對數，將PSNR值換算成標準單位，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

計算不同方案下3種視頻序列加密前后的峰值信噪比(PSNR)，結果如表1。從表1可看出：單純加密U，V分量對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。說明本算法具有良好的感知安全性。

3 結 論

傳統視頻加密方法計算量大且無法保證兼容性，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視頻幀數據為加密對象，用AES算法對Y分量加密，DESede算法對U，V分量加密的混合加密算法。由于HEVC編碼的高效性，加密的數據量減小，從而可減小其計算量。分別采用加密Y分量、UV分量及混合加密3種方案對3種視頻數據akiyo，football和foreman進行加密。結果表明，提出的混合加密算法兼顧兼容性與安全性，且在其中一個算法被攻破的情況下，還能保持視頻部分信息的加密狀態。基于HEVC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，如混沌加密等進行加密處理；

2)將HEVC編碼器中的DCT系數、熵編碼算法等與YUV加密結合起來，考慮對多個位置進行加密。