基于H.265的雙重混沌視頻加密算法的設計與實現

姚剛 王誠成 顧佼佼 牟俊杰 王永生

摘 ? 要：隨著網絡技術的快速發展，視頻信息安全技術越發受到人們的關注，視頻加密問題也正逐漸成為當今社會研究的重點領域。文章設計了一種基于H.265編碼標準的視頻加密方法，解決現今許多視頻加密技術存在的安全性和實時性不平衡的問題。采用混沌貓映射算法對視頻的U幀、V幀進行加解密，通過Logistic混沌映射算法對Y幀進行加解密，兩種算法相結合不但解決了低維混沌序列保密性不夠和高維混沌系統加密速率慢的缺點，而且提高了安全性和實時性。

關鍵詞：H.265;混沌貓映射;Logistic混沌映射;視頻加密;信息安全;算法設計

中圖分類號： TP311 ? ? ? ? ?文獻標識碼：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

隨著多媒體技術的不斷發展，視頻圖像等信息都通過多媒體技術進行傳輸。一旦這些信息泄露或遭受攻擊，不僅會危害個人信息安全，嚴重的還會危害到社會安全，對傳輸的信息內容進行加密保護可以有效地阻止別人對其竊取。因此，視頻信息安全技術越來越受到人們的關注。

H.265的視頻編碼標準比上一代H.264的壓縮率更高，在相同的視頻質量下，只需要原來編碼的50%左右。同時，H.265采用了并行處理，使得軟硬件實現都更加出色。

視頻加密的傳統方法包括RSA、DES、AES等算法，這些算法大部分都只對視頻頭幀或頭文件進行加密，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。由于混沌信號不但具有傳統加密算法的特性，并且產生密鑰的速度非常快。因此，本文將混沌算法與視頻加密相結合，以混沌序列替代傳統的密鑰，不但具有更高安全性，而且加密速度快。

2 現有加密方法分析

視頻數據擁有數據量大、數據類型繁多、集成度高、時效要求高等特點，這些新的特點對網絡的承受能力提出了巨大的挑戰。為了更好地完成對視頻文件的加密，需要在保證實時性的同時，盡量保護數據的完整性。雖然目前已出現多種被廣泛應用和認可的密碼算法，如DES、AES和RSA等，但由于視頻信息與普通文本不同，這些傳統的通用密碼算法已很難滿足視頻加密在安全性、實時性和格式保持性等方面的特殊需求。比如：非對稱密鑰算法RSA的加密效果好，但是產生密鑰繁瑣，實現一次一密比較繁雜;DES算法的安全性相對比較高，但是通過計算機的并行計算可以進行破解，且用于大數據量的視頻數據較難;AES算法優化了加密速度，目前沒有被破解的記錄，但是應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力系統，其自身的諸多特性與密碼學的要求存在許多相似之處。由于混沌所產生的迭代軌道具有非周期性、類噪聲性的特征，使其具有隨機序列的屬性;而混沌系統對初始條件和參數的高度敏感，又使得混沌迭代軌道具有長期不可預測性。同時，混沌密碼的可移植性強、軟硬件實現方便、加密速度快、安全性高，適于處理高實時性、大數據量的視頻信息。

3 方案設計與實現

3.1 方案設計

由于常規加密算法固有的局限性和混沌加密特有的優勢，混沌加密成為一新的發展動態。目前，混沌密碼系統的設計主要有兩種思路：一是利用混沌系統生成偽隨機密鑰流，該密鑰流直接用于掩蓋明文;二是把明文或密鑰設置為初始條件和控制參數，然后迭代多次得到密文。混沌序列加密時，將混沌序列作為加密序列，對明文進行軌跡映射，經過連續多次迭代后，將迭代次數作為密鑰的一部分。當密文傳輸到對方后，對方利用解密密鑰構造出解密序列對密文進行解密，提取出明文信息。

如果僅使用混沌流密碼對視頻信息進行加密，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視頻信息進行加密，將提高安全性，但實時性很難滿足要求。通過對各類加密算法的分析，本文結合各類算法的特點，將混沌貓映射與Logistic混沌映射作為2個混沌發生器，通過正逆序迭代產生的混沌序列對明文進行加密。這種方案綜合了兩種混沌加密方式的優點，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加密速率慢的缺點，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）設置加密密鑰，及混沌貓映射中參數a、b及加密輪數M;Logistic混沌映射算法中的參數μ、X0等;

（3）Logistic混沌映射算法做N次，生成N個數據序列，而U、V幀數據分成P×P的數據塊;

（4）將Y幀的數據序列與Logistic混沌映射算法產生的序列進行異或運算，用貓映射將U、V幀像素點置亂;

（5）轉到步驟（4），做M次的混沌貓映射;

（6）重新組合加密后的數據，形成加密后的視頻。

加密過程框圖如圖1所示。

視頻解密過程實質就是加密過程的逆過程，總的解密算法的過程框圖如圖2所示。

3.2 算法原理

3.2.1 混沌貓映射（Cat映射）

3.3 算法實現

系統實現時，利用FFmpeg軟件完成YUV三幀的分割，利用C#語言進行算法的編寫。

FFmpeg是一套可以用來記錄、轉換數字音頻、視頻，并能將其轉化為流的開源計算機程序。FFmpeg在Linux平臺下開發，但它同樣也可以在其它操作系統環境中編譯運行，包括Windows、Mac OS X等。

C#是一種最新的、面向對象的編程語言。C#語言綜合VB可視化和C++的高效性，易于開發。本文采用的IDE平臺是Microsoft Visual Studio 2012。

如圖3所示，利用Logistic映射進行加解密的過程。

4 算法測試

本文對所編寫的算法進行了測試，測試的內容包括：本文算法對視頻進行加密解密的效果、加密的安全性能。

4.1 功能測試

通過對視頻Y幀、U幀、V幀進行加解密得出加解密結果如圖4、圖5、圖6所示。

通過加密，明顯可以看出原視頻幀已經被置亂，已經不能正常觀看視頻，視頻加密效果較好。解密后視頻恢復正常，視覺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

安全性是評價加密算法優劣的重要指標，本文主要從像素相關系數和信息熵兩個方面來評估安全性。

（1）像素相關系數分析

本文按照公式對像素相關系數進行計算。

根據上式可計算出正確解密及錯誤解密后得到的圖像與原始圖像像素相關系數，如表1所示，利用Logistic混沌映射進行不同密鑰加密時相關系數的比較。

由表1中數據可以看出，正確解密時，即key1=0.1，key2=0.2時，解密后圖像與原圖像的像素相關系數為1，而當使用錯誤解密時，無論與初始值相差多么微小，均會出現相關系數接近0的現象，這就說明，Logistic映射對于初始值極端敏感。

（2）信息熵分析

如表2所示可得，基于貓映射及Logistic變換對視頻幀加密，加密幀的信息熵與原幀完全一樣，這說明加密的內容沒有改變，只是進行了位置移動，對視頻保護較好。

5 結束語

本文完成了基于H.265視頻編碼技術的雙重混沌加密算法的設計，并用C#語言實現了算法的基本思路。兩種方法的有機結合克服了單一算法的缺點且提高了安全性。本文算法后續的改進還有很多工作要做，需要繼續發掘其存在的問題并修復，并不斷完善此加密算法，使其在未來能夠在各領域得到廣泛的應用。

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