基于混沌密碼的監(jiān)控視頻加密技術(shù)研究

徐輝 佟曉筠

摘要：由于公用網(wǎng)絡(luò)處于完全開(kāi)放的狀態(tài)，一些涉及機(jī)密或隱私的視頻數(shù)據(jù)是不能直接傳輸?shù)?，必須采取某種技術(shù)手段對(duì)視頻信息進(jìn)行保護(hù)。視頻加密是一種有效的安全防護(hù)手段，而傳統(tǒng)的加密算法計(jì)算復(fù)雜度高不適用于加密視頻信息。本文對(duì)經(jīng)典混沌系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種新的混沌流密碼，該密碼系統(tǒng)安全性高、運(yùn)行速度快，可以滿足視頻應(yīng)用的實(shí)時(shí)性要求。同時(shí)，針對(duì)壓縮后的視頻監(jiān)控碼流進(jìn)行碼流分析和數(shù)據(jù)提取，在確保碼流格式兼容性的前提下，對(duì)視頻數(shù)據(jù)部分進(jìn)行加密操作，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)加密傳輸。關(guān)鍵詞：混沌密碼：視頻編碼;視頻加密

0引言

近年來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳輸技術(shù)和視頻壓縮等相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)在智能交通、智能樓宇、銀行、商場(chǎng)超市、醫(yī)院校園、企業(yè)生產(chǎn)和生活小區(qū)等范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，已經(jīng)滲透到了生產(chǎn)生活中的各個(gè)領(lǐng)域，具有直觀、方便和信息量豐富等特點(diǎn)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)隨著相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展階段：

（1）模擬監(jiān)控。視頻以模擬方式采用同軸電纜進(jìn)行傳輸，并由控制主機(jī)進(jìn)行模擬處理。

（2）半數(shù)字監(jiān)控。視頻仍以模擬方式采用同軸電纜進(jìn)行傳輸，但數(shù)據(jù)通過(guò)硬盤(pán)錄像機(jī)（VDR）進(jìn)行處理、存儲(chǔ)。

（3）網(wǎng)絡(luò)多媒體的數(shù)字視頻監(jiān)控。被采集的視頻信號(hào)被數(shù)字化，經(jīng)過(guò)壓縮編碼在數(shù)字通訊線路上進(jìn)行傳輸，采用流媒體技術(shù)實(shí)現(xiàn)視頻在網(wǎng)絡(luò)上的多路復(fù)用傳輸。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)將現(xiàn)場(chǎng)的圖像和聲音全天候地記錄下來(lái)，并實(shí)時(shí)地傳送到控制中心，可使相關(guān)人員對(duì)各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)情況了如指掌，對(duì)出現(xiàn)的各種情況進(jìn)行處理，而且還可以在需要的情況下回放相關(guān)的歷史資料。網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)安防、管理等提供了極大的方便。然而，視頻應(yīng)用給人們帶來(lái)極大便利條件的同時(shí)，也面臨著內(nèi)容竊取、非法傳播、信息泄露、隱私曝光等安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，建立有效的視頻內(nèi)容保護(hù)機(jī)制是推動(dòng)視頻商業(yè)化應(yīng)用不斷發(fā)展的重要保障。視頻加密技術(shù)是視頻數(shù)據(jù)保護(hù)的重要手段，其利用密碼技術(shù)將視頻原始信息掩蓋，從而使非法入侵者無(wú)法獲得可理解的視頻內(nèi)容或高質(zhì)量的視頻版本，視頻加密的更重要的意義在于其破壞了原始視頻的可視性和商業(yè)價(jià)值，蔡勉等提出了利用輸出反饋模式OFB對(duì)h.264少量視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行加密的算法：唐峰等人提出對(duì)DCT的系數(shù)符號(hào)以及部分DCT系數(shù)值加密的方法，適合視頻安全傳輸?shù)囊?，但這類(lèi)視頻加密算法的安全性不高。熵編碼是視頻壓縮編碼的最后一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，許多研究人員在這個(gè)階段對(duì)部分視頻語(yǔ)法元素進(jìn)行加密，取得了較好的加密效果，但這類(lèi)方法又不適用于壓縮后的監(jiān)控視頻流。Ting采用傳統(tǒng)AES密碼算法對(duì)壓縮后的視頻碼流數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，但其計(jì)算時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)較大，無(wú)法滿足實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊?。Fadi對(duì)實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，通過(guò)對(duì)信息位的隨機(jī)替代和置亂的方式達(dá)到加密目的，

盡管目前針對(duì)視頻內(nèi)容的保護(hù)提出了許多加密方案，但是尚沒(méi)有一個(gè)專(zhuān)門(mén)針對(duì)視頻監(jiān)控的加密算法可以同時(shí)滿足安全性和實(shí)時(shí)性要求。因此，本文提出了一種高效安全的混沌流密碼，對(duì)壓縮后的視頻監(jiān)控碼流進(jìn)行加密，實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻內(nèi)容的有效保護(hù)。

1混沌偽隨機(jī)序列

1.1經(jīng)典混沌系統(tǒng)

Logistic混沌系統(tǒng)是近年來(lái)被廣泛研究的一維非線性系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)定義為：

Henon混沌系統(tǒng)是另一個(gè)被廣泛關(guān)注的二維混沌映射，其數(shù)學(xué)定義如下：

當(dāng)參數(shù)α=1.4.b=0.3時(shí)，Henon映射將處于混沌狀態(tài)，

美國(guó)氣象學(xué)家Lorenz在1963年研究大氣環(huán)流模型時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)蝴蝶狀的奇怪的吸引子，即Lorenz系統(tǒng)。Lorenz混沌系統(tǒng)的數(shù)學(xué)表達(dá)如式（3）所示。

當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)α=10.b=8/3.c=28時(shí)，該系統(tǒng)處于混沌狀態(tài)。

1.2改進(jìn)的一維混沌模型

Logistic系統(tǒng)的混沌參數(shù)區(qū)間很窄，相空間軌道分布也不均勻，將其直接用于構(gòu)造混沌流密碼是不安全的。為此，本文提出了一種新的一維混沌系統(tǒng)（NOc.new one-dimensional chaotic），其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

圖1給出了Logistic系統(tǒng)和NOC系統(tǒng)的空間遍歷圖，從圖l（a）中可以看到Logistic系統(tǒng)在參數(shù)u=3.57時(shí)，存在多個(gè)周期窗口，而圖1（b）中的NOC系統(tǒng)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的周期窗口。

李雅普諾夫指數(shù)（Lyapunov exponent.LE）是表征混沌系統(tǒng)的重要指標(biāo)，若一個(gè)非線性系統(tǒng)是混沌的，則至少要有一個(gè)LE是正的。設(shè)f（x）是一個(gè)可微函數(shù)，則LE定義為：

圖2分別給出了Logistic和NOC的李雅普諾夫指數(shù)譜。從圖2中可以看出，Logistic映射的LE有較大波動(dòng)，其大于零的區(qū)間很窄，而且只有當(dāng)參數(shù)等于4時(shí)，才達(dá)到最大值0.6931。相比之下，NOC的李雅普諾夫指數(shù)不論參數(shù)如何變換，都始終維持在0.6932左右，說(shuō)明NOC系統(tǒng)具有更高的混沌穩(wěn)定性。

1.3混沌序列產(chǎn)生器

由于混沌序列是在實(shí)數(shù)域范圍內(nèi)的，不能直接用作密碼來(lái)使用，因此必須采用某種策略將其轉(zhuǎn)換為整數(shù)域內(nèi)的序列。這里設(shè){X|x_i，i=1.2.3…，N}是混沌序列，z_i是整型量化后的序列值，由公式（6）計(jì)算得出。

floor（）表示向下取整，mod表示取模。每次運(yùn)算將產(chǎn)生一個(gè)整數(shù)Z_i，且其范圍是（0.2³²），因此量化后的整數(shù)偽隨機(jī)序列表示為：Z=Z₀Z₁Z₂…Z_i…。

2h.264的碼流分析及加密算法

現(xiàn)在大部分的攝像頭采集到圖像后都會(huì)利用壓縮編碼技術(shù)將視頻圖像壓縮，而這其中應(yīng)用最廣泛的壓縮標(biāo)準(zhǔn)就是h.264。編碼器對(duì)視頻數(shù)據(jù)壓縮編碼后形成視頻碼流，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。因此對(duì)視頻內(nèi)容的加密，需要考慮到視頻的碼流格式，確保加密過(guò)程不破壞原有視頻碼流結(jié)構(gòu)，使得解碼器可以正常解碼，不需要額外的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)。

（1）IDR幀分析。IDR幀是視頻的第一幀數(shù)據(jù)，其后面的P幀和B幀將參考IDR幀進(jìn)行幀間預(yù)測(cè)，因此對(duì)IDR幀的加密將直接影響后續(xù)視頻圖像質(zhì)量。在網(wǎng)絡(luò)提取層單元（NAL），IDR幀以“0000000165”開(kāi)頭，因此，從該序列之后到下一個(gè)NAL之前的內(nèi)容為加密對(duì)象。

（2）參數(shù)集分析。在視頻碼流中有2個(gè)單元的數(shù)據(jù)是不能被加密的，一個(gè)是序列參數(shù)集，另一個(gè)是圖像參數(shù)集。分別以“0000000167”和“0000000168”開(kāi)頭。這兩部分包含了視頻解碼的所有參數(shù)和控制信息，如果對(duì)其加密，則解碼器將無(wú)法正常解碼。

（3）視頻加密算法。為確保視頻加密格式的兼容性和實(shí)時(shí)性，將利用改進(jìn)的一維混沌生成偽隨機(jī)序列，作為加密密鑰流，同時(shí)提取視頻碼流的數(shù)據(jù)部分，通過(guò)與密鑰流的數(shù)學(xué)運(yùn)算，獲得密文視頻數(shù)據(jù)。設(shè)密鑰流為及，視頻明文數(shù)據(jù)為p.加密后的密文為c.則加密操作為：

C=（P+K）mod 2³²，（7）

3實(shí)驗(yàn)分析及測(cè)試

利用海康威視的網(wǎng)絡(luò)攝像頭進(jìn)行了加密算法的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，加密前后視頻的圖像如圖3所示。

從圖3中可以看到，視頻加密后的圖像與原始視頻圖像完全不同，從中無(wú)法辨識(shí)視頻內(nèi)容和細(xì)節(jié)，說(shuō)明加密算法對(duì)實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控碼流是有效的。

另外，為了測(cè)試該加密算法的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，實(shí)驗(yàn)分別截取了100幀、200幀和300幀視頻作為測(cè)試對(duì)象，通過(guò)測(cè)試解碼和解密時(shí)間來(lái)衡量時(shí)間復(fù)雜度，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1.

從表1的數(shù)據(jù)中可以看出，解密時(shí)間與解碼時(shí)間相比，所占的開(kāi)銷(xiāo)不到0.1%，因此加解密操作滿足視頻處理的實(shí)時(shí)陸要求。

4結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種改進(jìn)的一維混沌系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)構(gòu)造了偽隨機(jī)序列產(chǎn)生器，可以生成用于加密的密鑰流序列。為確保視頻加密的格式兼容性和實(shí)時(shí)陸，本文將壓縮后的視頻碼流進(jìn)行分析，提取其中的數(shù)據(jù)字段與密鑰流進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明該算法可以滿足安全性和實(shí)時(shí)性要求。