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        基于ElGamal體制的視頻內(nèi)容保密比較方案

        2014-09-29 10:31:48王永濱柯雅明
        計算機工程 2014年7期
        關鍵詞:密文條帶保密

        于 鵬,王永濱,柯雅明,劉 文

        (中國傳媒大學計算機學院,北京 100024)

        1 概述

        隨著計算機和通信技術的發(fā)展,以及“三網(wǎng)融合”的推進,視頻內(nèi)容已經(jīng)成為人們工作、學習、娛樂生活中不可或缺的組成部分,人們在享受信息時代方便快捷服務的同時,同樣也面臨著視頻內(nèi)容帶來的安全問題。由于視頻內(nèi)容很容易遭到非法的使用、復制和篡改,因此對視頻的保護尤為重要。主流的對視頻內(nèi)容進行保護的方法有數(shù)字水印技術[1],該技術是通過在視頻中嵌入標識信息,通過驗證標識信息來確保視頻版權和完整性。然而,在實際生活中經(jīng)常會遇到如下問題:A擁有視頻MA,B擁有視頻MB,需要對雙方擁有的視頻進行比較,判斷視頻是否被篡改過,以及確定篡改發(fā)生的位置。傳統(tǒng)的方法是:A將視頻MA發(fā)給B,B將MA與MB進行比對,并將結果發(fā)回給A。但是,在這個過程中存在以下問題:A會將視頻泄露給B;B在驗證完成后,也可以對A進行欺騙,否認驗證結果;視頻數(shù)據(jù)量通常較大,導致此方法的通信開銷較大。顯然,數(shù)字水印技術無法解決上述問題。

        保密比較是隱私保護、信息安全的重要基礎[2]。保密比較計算研究是于1982年針對姚氏百萬富翁問題提出的解決方案,它是多方保密比較的基礎,如安全多方排序問題、安全比較向量問題等。姚氏百萬富翁問題經(jīng)過許多學者的發(fā)展[3],現(xiàn)在的保密計算已經(jīng)成為國際密碼學研究的熱點問題之一。但是這些方法計算、通信效率低,比較的數(shù)的范圍[4]是[1,100],而目前針對視頻內(nèi)容的保密比較方法鮮有報道。

        本文針對MPEG壓縮視頻,提出一種基于ElGamal體制的保密比較方案。綜合分析視頻編碼和易篡改等特征,在此基礎上提取出視頻特征信息;在驗證雙方間,通過改進的可交換ElGamal算法對特征信息分組哈希值進行比對,在不泄露雙方視頻內(nèi)容任何信息,包括視頻摘要信息的前提下,使驗證雙方都可獲得驗證結果,如果發(fā)生篡改還可定位篡改所在的區(qū)域。同時,該方案不需要可信第三方TC來維護公私鑰的分發(fā)。

        2 預備知識

        2.1 視頻相關介紹

        視頻具有明顯的語義結構特征,因此,在設計壓縮編碼時,MPEG標準使用了分層的語法結構來描述視頻信息。在MPEG壓縮編碼中,視頻被分為6層,分別是視頻序列層、圖像組層、圖像層、條帶層、宏塊層和塊層[5]。頂層是視頻序列層;每個視頻序列又可分為多個圖像組(Group of Picture,GOP),每個GOP由多個I幀、P幀和B幀組成,一個典型的GOP由12幀組成[6],包括1個I幀、3個P幀和8個B幀,排列順序為IBBPBBPBBPBBP;每個幀內(nèi)又分為多個條帶,每個條帶由多個16×16大小的宏塊組成;宏塊由多個8×8大小的亮度、色度塊組成。

        視頻篡改主要是指借助某些視頻編輯軟件,對視頻格式、內(nèi)容等進行修改,導致其原始信息完整性、真實性被破壞[7]。隨著網(wǎng)絡和各種視頻編輯軟件的迅速發(fā)展,視頻的篡改越來越容易。同時,視頻篡改的方式也有很多,通??煞譃閇8]時間域篡改和空間域篡改,或者兩者兼而有之。時間域的篡改建立在時間軸上,通常是對幀的操作,包括添加幀、刪除幀、替換幀和重組幀等處理;而空間域的篡改是對視頻幀內(nèi)的篡改,包括添加對象、移除對象等處理。在現(xiàn)實的視頻篡改中,篡改往往是一個視頻中持續(xù)的事件,由于視頻幀的播放速度很快,每秒約30幀,在這種情況下,一個有效的篡改至少要達到15幀以上[9]。

        2.2 ElGamal算法

        ElGamal是公鑰加密算法,其安全性依賴于循環(huán)群G上計算離散對數(shù)的困難性[10]和Diffie-Hellman假設[11],它既可用于數(shù)字簽名又可用于加密。ElGamal算法應用十分廣泛,在密碼學研究中占據(jù)重要地位。ElGamal密碼體制原型如下:

        首先需要選擇一個素數(shù)p、3個隨機數(shù)g,x和k,其中,g和x都小于p,k與p–1互素,對明文M的加密算法為:

        其中,a和b是密文對,密文的長度是明文M的2倍,x為私鑰,公開y,g和p。解密時,計算:M=b/axmodp ,因為ax≡gkxmod p ,同時有b/ax≡ykM/ax≡gxkM/gxk≡Mmod p,所以解密方法成立。

        3 基于ElGamal體制的視頻內(nèi)容保密比較

        視頻的保密比較包括2個過程:(1)提取視頻特征信息;(2)對特征信息進行保密比較。

        3.1 視頻特征提取

        對于一段視頻來說,提取哪些信息作為其特征是個非常重要的問題。一般視頻特征提取需要考慮以下原則:(1)代表性,即提取的特征能很好地代表視頻的視覺內(nèi)容,且數(shù)據(jù)量盡可能小。(2)敏感性,即這些特征能對一些非法操作十分敏感。要想設計一個好的視頻特征提取算法,必須綜合考慮視頻編碼特征和視頻篡改特征[5]。視頻特征提取流程如圖1所示。

        圖1 特征提取流程

        由MPEG視頻編碼標準可知,MPEG視頻序列由若干GOP組成,每個GOP的基礎幀是I幀,其中I幀編碼方式采用幀內(nèi)編碼,包含了整個GOP的主體信息,而P幀和B幀圖像的重建也離不開I幀數(shù)據(jù),且MPEG視頻編碼要求約每12幀中有一個I幀,因此,按照畫面頻率24幀/s計算[12],則1 s有2個I幀出現(xiàn),故一般不能夠直接在視頻壓縮流中跳過或刪除I幀。因此,在特征提取時,I幀可以很好地代表一段GOP的特征。

        文獻[13]的研究表明,MPEG在對I幀進行編碼時,使用了基于塊的DCT變換。8×8的圖像塊在進行DCT變換后,形成一個8×8系數(shù)矩陣,其中,DC系數(shù)是這8×8圖像塊采樣信息的平均值,包含了圖像塊能量的主要部分[14]。在MPEG視頻編碼中,每一個條帶的Y,U,V分量各自的8×8塊中的DC系數(shù)之間采用差分編碼,修改一個條帶中的一個分量,那么此條帶中后續(xù)分量都會受到影響。因此,在一幀信息中,每個條帶的最后一塊DC系數(shù),能夠很好地代表一個條塊的特征。此外,人眼對亮度信號比較敏感,同時根據(jù)普通圖像特點,在一個場景內(nèi),色度總是基本一致且單一的[14],因此,在特征提取時僅提取亮度分量。

        對視頻中每個I幀進行解碼,提取每個條帶中最后一個塊的Y分量DC系數(shù)作為此條帶的特征值。設I幀中有ST個條帶,則提取出的信息為:DCYc={DCYc1,DCYc2,…,DCYST},DCYc表示當前幀Ic中所提取的所有特征信息的集合,將這些信息按順序進行級聯(lián),形成I幀特征值:Fc=DCYc1||DCYc2||…||DCYST,其中,“||”表示信息級聯(lián);c為I幀的序號。根據(jù)I幀序號c將若干I幀分為一組,假設分組大小為GT,則當前幀所屬的組號Gid=c/GT,將處于同組Gid的特征數(shù)據(jù)進行組合:

        其中,Π代表某種組合操作。以此類推得到所有分組的特征信息集合{FGid},其中,Gid=0,1,…,TGid,TGid為分組數(shù)。

        對每個分組計算hGid=H(FGid)有TGid個分組,其中,H(?)表示哈希計算,則通過上述方法可以得到一段視頻的TGid個特征組信息序列{hGid},Gid=0,1,…,TGid。

        3.2 保密比較

        3.2.1 保密比較概念

        保密比較是指參與比較的各方在不出示本方秘密數(shù)據(jù)的前提下驗證各方數(shù)據(jù)是否相同。一般假設參與協(xié)議的各方都是半誠實參與者,半誠實參與者是指各參與者在計算過程中將嚴格地執(zhí)行協(xié)議,不會進行串通,但也會保留計算的中間結果并試圖推導出其他參與者的輸入。

        若一個加密方案E滿足等式:

        其中,k1和k2為不同的加密密鑰;x為待加密的明文。則稱該加密方案為可交換的加密算法,可交換加密算法可以實現(xiàn)兩方之間的保密比較。

        3.2.2 可交換ElGamal算法

        本文改進了ElGamal加密算法,使其滿足可交換性。在保密比較的雙方之間共享一個大素數(shù)p,相互保密g,x和k;由于保密比較不需要對密文進行解密,因此丟棄用于解密的密文a及其相關計算。設保密比較的雙方為A和B,A擁有消息MA,B擁有消息MB,在不泄露MA和MB的情況下,

        驗證MA和MB是否相同。改進算法的執(zhí)行過程如下:

        (1)A隨機選擇一個大素數(shù)p,并將p發(fā)送給B。

        (2)A產(chǎn)生隨機數(shù)gA,xA,kA,其中,gA,xA都小于p,gcd(kA,p–1)=1。B產(chǎn)生隨機數(shù)gB,xB,kB,其中,gB,xB都小于p,kB與p–1互素。A和B相互保密這些數(shù)據(jù)。

        (3)A做如下計算:

        bA1即是A對MA進行一次加密的密文,bB1即是B對MB進行一次加密的密文。

        (4)A將密文bA1發(fā)送給B,B將密文bB1發(fā)送給A。

        (5)A對收到的密文bB1進行二次加密:

        B對收到的密文bA1進行二次加密得:

        (6)A和B交換二次加密結果,即A發(fā)送bA2給B,B發(fā)送bB2給A。

        (7)在A,B兩端做驗證:若bA2=bB2,則MA=MB;否則,MA≠MB。

        上述改進的ElGamal加密算法可交換性證明如下:

        將式(4)代入式(5)得:

        根據(jù)mod運算的性質(zhì)可得:

        將式(3)代入式(6)得:

        根據(jù)mod運算的性質(zhì),可得:

        若MA=MB,則有式(8)同式(10),從而得證bA2=bB2,即該算法滿足可交換性。證畢。

        3.2.3 視頻保密比較方案

        為驗證兩方視頻內(nèi)容是否相等,需要一方選擇特征提取分組大小參數(shù)GT,并發(fā)給另一方。雙方首先按照此參數(shù)對視頻進行特征提取,然后按照改進的可交換ElGamal算法進行保密比較,驗證每個分組是否都相同,如果分組全部相同,則視頻相同;如果不同,則可根據(jù)不同所在的組號定位篡改發(fā)生的區(qū)域。如果需要提高檢測精度,可進一步縮小分組參數(shù)GT,從而精確定位篡改發(fā)生的區(qū)域。

        4 實驗與結果分析

        為了評測本文方案的效果,在VC++平臺下進行仿真實驗。在測試模型中,考慮到取材的廣泛性和普遍性,分別從廣告、新聞、體育比賽和電影中選取5段視頻流,視頻的I幀數(shù)目和分組大小各不相同,其檢測結果如表1所示。其中,最后一行電影視頻是無篡改視頻。從實驗結果可知,對于不同大小的視頻在不同的區(qū)域進行篡改,本文方案都能準確地檢測出篡改發(fā)生所在的分組。

        表1 篡改檢測結果

        對本文所提出的視頻內(nèi)容保密比較方案分析可知,其具有以下特征:

        (1)在視頻特征提取時,僅提取I幀中每個條帶最后一塊DC系數(shù)亮度值,提出的數(shù)據(jù)量少,且極具代表性,減少了待驗證信息的數(shù)據(jù)量和網(wǎng)絡通信量,降低了計算復雜度。

        (2)對視頻特征進行靈活分組,可采用逐級細化的方式,對篡改所在區(qū)域進行精確定位。

        (3)使用改進的可交換ElGamal算法實現(xiàn)保密比較,保密比較雙方僅共享一個大素數(shù)P,私鑰都由用戶自己保存,避免了竊聽者非法獲取密鑰的安全風險。

        (4)一方獲得的數(shù)據(jù)是另一方對采用私鑰進行ElGamal加密的密文,在整個過程中不暴露用戶視頻相關信息,甚至是特征信息。若試圖通過知道的中間信息進行求解,其計算困難性等價于計算GF(p)中解離散對數(shù)的難度。

        (5)參與雙方都可公平獲得保密計算的結果,而不是由一方告知另一方,具有很好的公平性。

        5 結束語

        目前,針對視頻內(nèi)容的保密比較研究較少。本文綜合考慮了視頻編碼和視頻篡改相關特征,在對傳統(tǒng)ElGamal算法進行改進的基礎上,提出了一種基于ElGamal體制的視頻保密比較方案。該方案對視頻進行特征提取,僅選擇視頻幀每個條帶中最后一個宏塊的亮度值作為特征數(shù)據(jù),提取的數(shù)據(jù)量少,且具有很好的代表性。文中同時對ElGamal算法進行改進,并給出了改進算法的可交換性證明方法。實驗結果表明,本文方案具有良好的公平性、安全性和有效性,同時具有較低的計算復雜度和通信開銷。

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