劉 博 劉建東 陳 飛 鐘 鳴 張世博

1(北京石油化工學(xué)院信息工程學(xué)院 北京 102617)2(北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 北京 100029)

0 引 言

H.264/AVC具有低碼率、強(qiáng)容錯(cuò)能力等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于視頻通信等多個(gè)領(lǐng)域[1-2]?；贖.264/AVC協(xié)議的選擇加密算法對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)加密，具有加密效率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[3]，然而較少的加密數(shù)據(jù)會(huì)降低加密效果，導(dǎo)致視頻信息泄露?；煦缒Ｐ途哂袀坞S機(jī)性、初值敏感性，適用于視頻加密領(lǐng)域[4-5]。然而高維混沌求解時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)消弱視頻傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，進(jìn)而通信失敗。正確的加密位置與高質(zhì)量的偽隨機(jī)序列可以避免以上問(wèn)題，因此視頻加密的關(guān)鍵在于加密效率與加密安全二者兼顧。

加密效率取決于加密數(shù)據(jù)選取。加密數(shù)據(jù)為幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式、運(yùn)動(dòng)矢量差、熵編碼參數(shù)等。文獻(xiàn)[6-8]分別對(duì)MVD幅值、色度塊、熵編碼參數(shù)加密，加密效果良好，但時(shí)間耗費(fèi)大。因此基于視頻編碼協(xié)議及視頻序列安全性，通過(guò)分析視頻碼流來(lái)設(shè)計(jì)加密算法，進(jìn)而減少加密數(shù)據(jù)，提高加密效率。加密安全依賴(lài)于偽隨機(jī)序列模型的密碼學(xué)特性。偽隨機(jī)序列模型主要為RC4、混沌模型等。文獻(xiàn)[7-10]分別采用分段線性混沌映射、線性反饋移位寄存器、RC4、5階超混沌等方法生成偽隨機(jī)序列，加密效果良好，但在加密效率或安全方面有缺陷。然而基于整數(shù)域的時(shí)空混沌模型，既保持了低維混沌的序列生成效率，又具有高維混沌的序列安全性。

為提高加密效率和系統(tǒng)安全性，本文提出了整數(shù)動(dòng)態(tài)耦合帳篷映射模型優(yōu)化形式，并從安全性和實(shí)時(shí)性考慮，引入兩級(jí)加密方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方案的加密效果良好，混沌模型的安全性高，生成速度快，適用于對(duì)實(shí)時(shí)性和安全性需求較高的視頻通信領(lǐng)域。

1 密鑰生成算法

1.1 整數(shù)動(dòng)態(tài)耦合帳篷映射模型

1.1.1耦合映象格子優(yōu)化形式

耦合映象格子模型[11](coupled map lattice，CML)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

f(xn(i+1))]

(1)

式中：非線性函數(shù)f選擇非線性帳篷映射函數(shù)；ε為耦合系數(shù)，且滿(mǎn)足0≤ε≤1；n為迭代步數(shù)；i=1,2,…,L為格點(diǎn)坐標(biāo)，L為系統(tǒng)格點(diǎn)數(shù)；模型的邊界條件由xn(0)=xn(L)、xn(L+1)=xn(1)實(shí)現(xiàn)，初值為[0,1]內(nèi)的隨機(jī)數(shù)。由于CML模型相鄰格點(diǎn)耦合具有較大的安全性缺陷，為解決此問(wèn)題，可將耦合機(jī)制設(shè)為貓映射，同時(shí)去掉耦合系數(shù)。整數(shù)非線性耦合映象格子模型[12]的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

xn+1(i)=[f(xn(i))+f(xn(j))+f(xn(k))]mod 2a

(2)

式中：n、i、L的含義與模型相同；mod為取模運(yùn)算；a為系統(tǒng)的位數(shù)，2a為系統(tǒng)的可容納的最大狀態(tài)值；j、k為空間格點(diǎn)坐標(biāo)，由貓映射決定；f為整數(shù)動(dòng)態(tài)帳篷映射。

1.1.2整數(shù)動(dòng)態(tài)耦合帳篷映射模型

整數(shù)動(dòng)態(tài)帳篷映射具有良好的均勻分布特性、拉伸與折疊特性，同時(shí)克服了整數(shù)帳篷映射的短周期問(wèn)題，避免了實(shí)數(shù)域向整數(shù)域的轉(zhuǎn)換，能夠快速生成高質(zhì)量的整數(shù)混沌偽隨機(jī)序列[13]。其數(shù)學(xué)形式為：

(3)

gn(i)=(xn(i)+ki)mod 2a

(4)

式中：a、n、i、mod、f含義與CML模型相同；xn(i)∈[0,2a-1];gn(i)為動(dòng)態(tài)映射輸入;ki為函數(shù)的動(dòng)態(tài)參量。然而整數(shù)動(dòng)態(tài)帳篷映射的拉伸和折疊行為需要反復(fù)進(jìn)行區(qū)域判斷，影響了混沌序列的產(chǎn)生效率，降低了系統(tǒng)的安全性。為提高整數(shù)帳篷映射生成序列效率，將位運(yùn)算和邏輯運(yùn)算相結(jié)合，引入整數(shù)帳篷的等價(jià)模型[14]。

((gn>>(a-1))∧1)

(5)

gn(i)=(xn(i)+ki)mod 2a

(6)

式中：k為動(dòng)態(tài)變量；x、g、k、1均采用無(wú)符號(hào)整型。為提高整數(shù)動(dòng)態(tài)耦合帳篷映射模型(Integer Dynamic Coupled Tent Map，IDCTM)的偽隨機(jī)序列生成效率，采用整數(shù)動(dòng)態(tài)帳篷映射等價(jià)形式替換整數(shù)動(dòng)態(tài)帳篷映射，引入非線性耦合映象格子模型，得出整數(shù)動(dòng)態(tài)耦合帳篷映射模型的優(yōu)化形式[14]:

xn+1(i)=[f(xn(i))+f(xn(j))+f(xn(k))]mod 2a

(7)

((gn>>(a-1))∧1)

(8)

gn(i)=(xn(i)+ki)mod 2a

(9)

耦合映象格子能夠快速并行產(chǎn)生偽隨機(jī)序列，其空間格點(diǎn)耦合的擴(kuò)散作用以及非線性函數(shù)的混淆作用增加了序列的復(fù)雜度以及系統(tǒng)的安全性。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的整數(shù)動(dòng)態(tài)耦合帳篷映射模型生成偽隨機(jī)序列效率顯著提高。同時(shí)在信息熵、互信息、差值特性、隨機(jī)性均有良好的性能。

1.2 偽隨機(jī)序列生成

視頻加密過(guò)程采用流密碼加密，針對(duì)視頻特性，選擇關(guān)鍵位置加密，實(shí)現(xiàn)一次一密。

第一步：模型參數(shù)初始化，取L=30、p=10、q=8、a=32，序列流長(zhǎng)度為200萬(wàn)，并隨機(jī)產(chǎn)生第一列30個(gè)序列初值{x1(1),x1(2)，…,x1(30)}。

第二步：通過(guò)提出的整數(shù)動(dòng)態(tài)帳篷映射優(yōu)化形式進(jìn)行迭代，快速生成具有良好獨(dú)立性和均勻分布性的序列{f2(1),f2(2),…,f2(30)}。

第三步：通過(guò)貓映射生成耦合映射格子坐標(biāo)j、k。再利用耦合映象格子進(jìn)行序列全耦合，并行生成獨(dú)立性高的序列{x2(1),x2(2),…,x2(30)}。

第四步：反復(fù)迭代產(chǎn)生出所有序列，隨機(jī)選取6個(gè)混沌偽隨機(jī)序列{key1,key2,…,key6}對(duì)相應(yīng)位置加密。

2 視頻加密方案

2.1 碼流分析

H.264視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的編碼幀結(jié)構(gòu)均含有I幀，單個(gè)I幀的碼流貢獻(xiàn)至少是P幀的好幾倍，存儲(chǔ)的視頻信息更加豐富，作為視頻編碼階段的首個(gè)關(guān)鍵幀，其加密性能影響整個(gè)視頻的加密效果。表1和表2給出9種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)視頻測(cè)試序列的I幀和P幀碼流分析。

表1 9種標(biāo)準(zhǔn)視頻測(cè)試序列I幀碼流分析

由表1可知，I幀碼流中變換階段占比較大，說(shuō)明I幀能量集中在編碼殘差數(shù)據(jù)上。然而I幀有效的加密手段為幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式加密[15]，加密后的視頻質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)較低。若能對(duì)I幀變換參數(shù)加密，在保證了I幀的安全性基礎(chǔ)上再研究P幀的加密，可提高安全性能。

表2中，P幀碼流中預(yù)測(cè)階段占比顯著增加，變換階段占比稍大。P幀的加密位置通常為預(yù)測(cè)階段的MVD符號(hào)處[16]，整體加密效果良好，然而初期的P幀MVD符號(hào)加密效果不佳。若能分析P幀變化階段碼流并提出加密方案，可提高安全性能。

表2 9種標(biāo)準(zhǔn)視頻測(cè)試序列P幀碼流分析

碼流分析結(jié)果表明P幀變換階段占比稍大的原因有兩個(gè)。一是P幀中宏塊預(yù)測(cè)模式太多太雜，比如Football序列中，P幀I宏塊占比較大；Ice和Soccer和Mobile序列中8×8分區(qū)較多。二是編碼殘差總量較大，從而變換系數(shù)較多。針對(duì)第一個(gè)原因?qū)е翽幀加密效果不足的問(wèn)題，將I幀加密方法擴(kuò)散到全體I宏塊，再提出基于P幀的加密方案，消除了這種加密效果不佳的情況。第二個(gè)原因則不能降低加密效果。碼流分析結(jié)果表明，P幀殘差均值低于1，即便殘差數(shù)量大，但量化后大部分都變?yōu)?，間接消除P幀殘差數(shù)據(jù)量規(guī)模大帶來(lái)的問(wèn)題。

圖1分別為Foreman、City和Mobile序列I幀加密圖，圖2分別為以上三種序列初期P幀加密圖。

圖1表明I幀的幀內(nèi)預(yù)測(cè)加密效果不理想，視頻輪廓可見(jiàn)，仍有信息泄露的風(fēng)險(xiǎn)。圖2顯示初期P幀的運(yùn)動(dòng)矢量差符號(hào)加密效果一般。盡管運(yùn)動(dòng)矢量差數(shù)值加密效果良好，但MVD數(shù)值加密可能會(huì)導(dǎo)致視頻解密失敗[17]。根據(jù)上述分析，可以將I幀加密方式用于全體I宏塊，既保證了I幀的安全性，也增強(qiáng)了P幀的安全性。

圖1 I幀幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式加密主觀效果

圖2 P幀運(yùn)動(dòng)矢量差符號(hào)加密主觀效果

2.2 一級(jí)加密方案

加密方案采用協(xié)議的基本檔次。由于基本檔次應(yīng)用在實(shí)時(shí)傳輸領(lǐng)域，視頻的安全性和實(shí)時(shí)性側(cè)重于后者。在保證安全性的前提下，通過(guò)加密位置選取和加密算法簡(jiǎn)單化從而不增加編碼碼流和編碼復(fù)雜度，可進(jìn)一步保證視頻傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

2.2.1幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式加密

將視頻全部I宏塊的4×4亮度塊的預(yù)測(cè)模式加密，預(yù)測(cè)模式編碼至少需要4 bit，然而編碼過(guò)程中使用條件運(yùn)算符，通過(guò)比較預(yù)測(cè)模式的預(yù)測(cè)值和真實(shí)值，僅需3 bit將預(yù)測(cè)模式的最終值編碼到語(yǔ)法元素rem_intra4×4_pred_mode中。加密方法如下：

(10)

式中：IPM、modeflag為語(yǔ)法元素，代表實(shí)際預(yù)測(cè)模式和預(yù)測(cè)模式的預(yù)測(cè)值；key1為IDCTM優(yōu)化模型并行產(chǎn)生的任意一條偽隨機(jī)序列；IPMen為加密后的IPM。

2.2.2I宏塊CAVLC編碼加密

基于內(nèi)容的自適應(yīng)變長(zhǎng)編碼(CAVLC)對(duì)量化后的殘差系數(shù)編碼，是編碼過(guò)程的重要階段。此處加密位置選擇拖尾系數(shù)符號(hào)與非零系數(shù)幅值符號(hào)。加密方法如下：

T1sen=T1s⊕key2

(11)

Level_signen=Level_sign⊕key3

(12)

式中：T1s、T1sen為加密前后拖尾系數(shù)符號(hào)；Level、Levelen為加密前后的非零系數(shù)；key2、key3為IDCTM優(yōu)化模型并行產(chǎn)生的任意一條偽隨機(jī)序列。

2.2.3P宏塊MVD符號(hào)加密

P宏塊的能量集中在參考幀上，加密MVD符號(hào)位，碼流影響小，加密效果好。加密方法如下：

MVD_signen=MVD_sign⊕key4

(13)

式中：MVD_sign為運(yùn)動(dòng)矢量差符號(hào)；MVD_signen為加密后的MVD_sign；key4為IDCTM優(yōu)化模型并行產(chǎn)生的任意一個(gè)偽隨機(jī)序列。

2.3 二級(jí)加密方案

商業(yè)上或軍事上的視頻會(huì)議會(huì)對(duì)視頻的安全性提出非常高的標(biāo)準(zhǔn)。在第一級(jí)加密方案的基礎(chǔ)上，增加新的加密方法，提升加密級(jí)別。

2.3.1I宏塊DCT變換系數(shù)加密

選取I宏塊4×4亮度塊的DCT系數(shù)加密。為避免打亂所有系數(shù)的能量分布，僅選取能量最高的DC系數(shù)加密即可。加密方法如下：

DCen=DC⊕key5

(14)

式中：DC為直流系數(shù);DCen為加密后的DC;key5為IDCTM優(yōu)化模型并行產(chǎn)生的任意一條偽隨機(jī)序列。

2.3.2指數(shù)哥倫布編碼加密

指數(shù)哥倫布編碼為變長(zhǎng)編碼，對(duì)Mbit的INFO加密。輸入數(shù)據(jù)codeNum與輸出碼流INFO對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

M=floor(log2(codeNum+1))

(15)

INFO=codeNum+1-2M

(16)

式中：floor為向下取整。指數(shù)哥倫布編碼根據(jù)編碼參數(shù)k與編碼字codeNum映射關(guān)系分為四種編碼：無(wú)符號(hào)映射、有符號(hào)映射、定制表映射和短碼字截?cái)嘤成洹Ｓ蟹?hào)映射編碼次數(shù)最多，主要是對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量差編碼，為保證格式兼容，適合加密。加密方法如下：

INFOen=INFO⊕key6

(17)

式中：INFO、INFOen為加密前后指數(shù)哥倫布編碼碼流信息位；key6為IDCTM優(yōu)化模型并行產(chǎn)生的任意一個(gè)偽隨機(jī)序列。

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行環(huán)境

實(shí)驗(yàn)使用H.264/AVC參考模型JM8.6基本檔次，電腦處理器為Intel(R) Core(TM) i5-6500 3.20 GHz，8 GB RAM，雙核。編碼幀結(jié)構(gòu)為IPP…,編碼幀數(shù)為50，量化參數(shù)為默認(rèn)的28，設(shè)置編碼CAVLC編碼模式編碼Foreman、News、Crew、City、Football、Bus、Ice、Soccer、Mobile等九種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)視頻測(cè)試序列。視頻序列分辨率為QCIF(176×144)，采樣格式為4∶2∶0。以上一級(jí)加密方案和二級(jí)加密方案簡(jiǎn)稱(chēng)為方案一、方案二。

3.2 主觀效果分析

視頻圖像質(zhì)量認(rèn)定非常依賴(lài)主觀分析[18]，采用的測(cè)試方法參考ITU-R BT.500-11規(guī)定的一些主觀標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試程序。已知原始序列，對(duì)加密后的序列進(jìn)行打分評(píng)測(cè)從而判斷加密效果。選取Foreman、City、Mobile的第五幀作為測(cè)試序列，分別如圖3(a)、(b)、(c)所示。圖3(d)、(e)分別為兩種加密方案對(duì)3種序列幀的測(cè)試結(jié)果，結(jié)果表明主觀上無(wú)法理解視頻加密后的幀，且第二種加密方案加密效果更好。

(a) Foreman (b) City (c) Mobile

(e) 基于二方案加密(a)、(b)、(c)的結(jié)果圖3 主觀效果對(duì)比

3.3 客觀效果分析

視頻圖像質(zhì)量的主觀測(cè)試結(jié)果一目了然，但在視頻圖像質(zhì)量相近時(shí)，主觀判斷的偶然性較大，不具有說(shuō)服力。視頻質(zhì)量的客觀測(cè)試可以準(zhǔn)確地識(shí)別視頻圖像的質(zhì)量高低。

3.3.1感知置亂效果分析

視頻加密后的加密效果客觀分析方法參考視頻編解碼的視頻質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，即峰值信噪比(PSNR)和結(jié)構(gòu)相似性比較(SSIM)，可以衡量壓縮損失的信息量。其中PSNR公式如下：

(18)

(19)

式中：M、N分別為圖像的高度和寬度；x、y為對(duì)應(yīng)像素位置坐標(biāo)；f(x,y)、f′(x,y)為加密前后圖像像素，MSE用來(lái)衡量加密前后圖像改變度，n為圖像像素內(nèi)存，一般取8。PSNR為峰值信噪比。

視頻幀的質(zhì)量與其PSNR值正相關(guān)，當(dāng)PSNR大于40時(shí)，視頻幀質(zhì)量極好；當(dāng)PSNR在15附近，視頻幀質(zhì)量極差，人類(lèi)主觀無(wú)法識(shí)別。表3給出使用兩種加密方案的9種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試序列的Y分量的PSNR值。文獻(xiàn)[19]、文獻(xiàn)[9]的PSNR值在15附近，基本滿(mǎn)足加密要求，本文的兩種加密方案PSNR值均小于15，說(shuō)明本文提出的加密方案明顯優(yōu)于前兩種加密方案，尤其是第二級(jí)加密方案小于10，相對(duì)與第一極加密方案，安全性顯著提高。

表3 9種標(biāo)準(zhǔn)視頻測(cè)試序列的PSNR dB

傳統(tǒng)的視頻質(zhì)量檢測(cè)方法PSNR與人類(lèi)主觀視覺(jué)測(cè)試存在差異，而基于感知SSIM(structural similarity index)方法更符號(hào)人類(lèi)視覺(jué)感知，因而常用作評(píng)價(jià)視頻質(zhì)量的方式。SSIM的計(jì)算公式為：

(20)

視頻幀的質(zhì)量與其SSIM值正相關(guān)，即SSIM越高，視頻質(zhì)量越好。當(dāng)SSIM接近1時(shí)，視頻幀質(zhì)量極好，非常接近原視頻幀；反之當(dāng)SSIM接近0時(shí)，兩個(gè)視頻幀相似度極低，視頻質(zhì)量差。當(dāng)SSIM在0.1附近，人類(lèi)主觀無(wú)法識(shí)別視頻內(nèi)容。表4給出使用兩種加密方案的9種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試序列的SSIM值。盡管不同視頻序列的SSIM值存在差異，但四種加密方案SSIM值在0.1附近，基本滿(mǎn)足加密要求，尤其是第二級(jí)加密方案SSIM平均值小于前三種方案，因此優(yōu)于前三種加密方案。相對(duì)與第一極加密方案，安全性顯著提高。

表4 9種標(biāo)準(zhǔn)視頻測(cè)試序列的SSIM

3.3.2壓縮比分析

第一級(jí)加密方案中和MVD僅加密符號(hào)位，幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式為3位固定長(zhǎng)度編碼，理論上不影響碼流，實(shí)際上加密后的預(yù)測(cè)模式預(yù)測(cè)時(shí)的偏差會(huì)對(duì)碼流產(chǎn)生一些影響。第二級(jí)加密方案中Exp-Golomb加密Mbit信息位，不影響碼流，DCT變換系數(shù)加密會(huì)影響碼流，但僅選擇最少的I宏塊中亮度DC系數(shù)加密，影響有限。以上加密位置的選取均不影響視頻編碼格式。9種標(biāo)準(zhǔn)視頻測(cè)試序列的碼流長(zhǎng)度如表5所示。

表5 9種標(biāo)準(zhǔn)視頻測(cè)試序列的碼流長(zhǎng)度

續(xù)表5

可以看出，碼流長(zhǎng)度增加的百分比范圍為-1.175%～2.8%，碼流有的增加，有的減少，但大部分碼流長(zhǎng)度增加的百分比小于1，加密對(duì)碼流的總體影響可忽略。

3.3.3時(shí)效性分析

實(shí)時(shí)視頻傳輸對(duì)編碼效率要求較高，基于視頻編碼的加密方案在保證安全性的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡力避免增加編碼時(shí)間。加密算法的加密數(shù)據(jù)量、加密操作復(fù)雜度、以及偽隨機(jī)序列的產(chǎn)生速率是視頻加密時(shí)間耗費(fèi)增加的主要方面。本文提出的加密方案在保證視頻加密的有效性和視頻格式兼容性前提下，采用較少的加密數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)單的異或操作，同時(shí)混沌模型為整數(shù)動(dòng)態(tài)耦合帳篷映射模型，進(jìn)一步降低了視頻加密對(duì)視頻編碼的時(shí)間耗費(fèi)。9種標(biāo)準(zhǔn)視頻測(cè)試序列的編碼時(shí)間耗費(fèi)如表6所示。

表6 9種標(biāo)準(zhǔn)視頻測(cè)試序列編碼時(shí)間耗費(fèi)

可以看出，不同序列編碼時(shí)間耗費(fèi)差異較大，這是由于各個(gè)序列中單個(gè)幀宏塊預(yù)測(cè)模式組成不同引起的。其中加密方案一、方案二對(duì)視頻編碼的影響都比較小，且比較接近，方案二的時(shí)間耗費(fèi)稍大，但其安全性較高。模型生成偽隨機(jī)序列的數(shù)目和長(zhǎng)度對(duì)系統(tǒng)的安全性和時(shí)效性影響較大，隨著編碼幀的增加，產(chǎn)生偽隨機(jī)序列的時(shí)間固定不變，總的編碼時(shí)間耗費(fèi)百分比降低。實(shí)時(shí)視頻傳輸時(shí)，編碼傳輸單位為幀級(jí)別，時(shí)間耗費(fèi)更低。

3.4 安全性分析

3.4.1密鑰空間分析

加密方案的密鑰包括混沌模型的初值x1(1)、x1(2) 、…、x1(L)，參數(shù)(p、q、ki)。為保證視頻加密安全性，其密鑰空間不小于2128。由于整數(shù)動(dòng)態(tài)耦合帳篷映射模型初值數(shù)量L=30，關(guān)鍵參數(shù)數(shù)量為3，密鑰長(zhǎng)度為32位。所以密鑰空間為2(32×33)=21 056，完全能夠抵擋窮舉攻擊。33個(gè)密鑰中任一個(gè)發(fā)生變化，產(chǎn)生的30個(gè)混沌偽隨機(jī)序列將會(huì)改變。同時(shí)該模型能夠并行快速產(chǎn)生L個(gè)偽隨機(jī)序列，L的值可以無(wú)限大，進(jìn)而會(huì)拓展密鑰空間無(wú)限大。加密方案的安全性非常高。表7為密鑰空間對(duì)比。

表7 密鑰空間對(duì)比

3.4.2密鑰敏感性分析

圖5為密鑰敏感性分析。選取mobile序列第五幀，密鑰改變1 bit加密。解密效果如圖4所示，其中(a)、(b)、(c)使用一級(jí)加密方案，(d)、(e)、(f)使用二級(jí)加密方案。圖4(a)、(d)為未使用密鑰直接解碼圖像，圖像加密效果良好，(b)、(e)為使用對(duì)稱(chēng)密鑰正確解密圖，(c)、(f)為使用改變一位的密鑰解密圖，解密失敗，因此密鑰敏感性良好。

(a) 無(wú)密鑰圖 (b) 正確密鑰圖 (c) 密鑰變化圖

3.4.3直方圖分析

如圖5所示，分別對(duì)Mobile序列第5幀以及采用不同密鑰加密的第五幀進(jìn)行直方圖分析，結(jié)果如下：兩種加密方案在采用不同密鑰后，直方圖均發(fā)生了很大的變化。圖5(c)相對(duì)于(b)，灰度值分布更加均勻，(f)相對(duì)于(e)，灰度值分布趨勢(shì)完全改變。由此可以看出，兩種加密方案均能抵抗差分攻擊和統(tǒng)計(jì)學(xué)攻擊。

(a) 加密原圖直方圖 (b) 方案一加密直方圖 (c) 方案一加密2直方圖

3.4.4替代攻擊分析

替代攻擊是唯密文攻擊，通過(guò)將加密后的語(yǔ)法元素設(shè)為固定值，進(jìn)而正確解密整個(gè)視頻。將加密后的mobile序列第5幀的幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式設(shè)為最可能的模式值，分別對(duì)兩種加密方案解密。圖6(a)、(b)分別為方案一、方案二的替代攻擊圖。替代攻擊結(jié)果表明，兩種加密方案均能抵擋替代攻擊。

(a) 方案一替代攻擊 (b) 方案二替代攻擊圖6 替代攻擊

3.4.5數(shù)據(jù)兼容與可操作性分析

加密后的碼流符合標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議H.264/AVC要求，加密后的視頻格式以及加密過(guò)程中的控制信息未發(fā)生改變。加密后的視頻能夠正常解碼并播放。同時(shí)，加密后視頻流可以進(jìn)行圖像塊剪貼、增加、刪除以及碼率控制等基本操作。因此兩種加密方案均具有良好的數(shù)據(jù)兼容與可操作性。

3.4.6比較分析

表8列出近幾年研究者們提出的幾種視頻加密方法，分別從四個(gè)方面對(duì)比。結(jié)果表明，本文的加密方案計(jì)算復(fù)雜度低，不增加比特率，同時(shí)采用時(shí)空混沌模型，安全性高，生成偽隨機(jī)序列快，完全滿(mǎn)足視頻加密的實(shí)時(shí)性和安全性需求。

表8 比較分析

4 結(jié) 語(yǔ)

給出了基于位運(yùn)算的整數(shù)動(dòng)態(tài)耦合帳篷映射模型，提高了偽隨機(jī)序列生成效率，拓展密鑰空間為21 056，增加了安全性。通過(guò)分析I幀、P幀的碼流，針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，提出了一種視頻加密算法，從而產(chǎn)生加密效率和加密安全的兩級(jí)加密方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文算法減少了加密數(shù)據(jù)量，保證了視頻加密的安全性，視頻加密效率和加密安全性均得到提升，在視頻加密效果的主客觀分析和安全性分析方面均顯示出良好的性能。