田 璐，謝淑翠，張建中

(1.西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710061；2.陜西師范大學(xué) 數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710062)

基于超混沌RC4的視頻流加密算法

田 璐1，謝淑翠1，張建中2

(1.西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710061；2.陜西師范大學(xué) 數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710062)

為保證視頻傳輸過程中的安全性，提出了一種基于超混沌與RC4相結(jié)合的視頻加密算法。利用四維超混沌映射產(chǎn)生4個(gè)偽隨機(jī)序列，將其分別作為RC4算法的種子密鑰，實(shí)現(xiàn)DC系數(shù)、非零AC系數(shù)符號(hào)和運(yùn)動(dòng)矢量MV符號(hào)的聯(lián)合加密。仿真加密算法的同時(shí)對(duì)算法的加密效果和安全性進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法具有較大的密鑰空間、較高的密鑰敏感性以及較高的安全性。

超混沌；RC4；視頻加密

隨著多媒體應(yīng)用的快速發(fā)展，大量公開的和私有的圖像和視頻等多媒體信息被通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，這一領(lǐng)域的信息安全已得到商業(yè)和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。如何將多媒體信息進(jìn)行安全地傳送成為一個(gè)至關(guān)緊要的問題。視頻加密是其首要的解決方法。

近年來，人們已經(jīng)提出了多種視頻加密算法。Lei Tang[1]提出了利用Zigzag置亂DCT(Discrete Cosine Transformation)系數(shù)的加密算法。Shi[2]提出了利用流密碼加密DCT系數(shù)符號(hào)和運(yùn)動(dòng)矢量符號(hào)的MPEG視頻流加密算法。Kezia[3]提出了基于Lorenz混沌映射的數(shù)字視頻加密算法。

本文在上述加密算法的基礎(chǔ)上，提出了一種將加密與壓縮過程相結(jié)合的視頻加密算法。利用超混沌系統(tǒng)生成四個(gè)偽隨機(jī)序列，將其分別用作RC4的種子密鑰，產(chǎn)生新的隨機(jī)序列，用來加密DC系數(shù)、AC系數(shù)符號(hào)和運(yùn)動(dòng)矢量符號(hào)。

1 算法基礎(chǔ)

1.1 超混沌系統(tǒng)

混沌是一種貌似無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，具有不可預(yù)測(cè)性、對(duì)初始值的敏感性等一系列特征，因而被廣泛應(yīng)用在圖像/視頻加密領(lǐng)域。然而，低維混沌系統(tǒng)因其參數(shù)少、密鑰簡(jiǎn)單，在安全性方面存在明顯不足。超混沌系統(tǒng)是一種特殊的系統(tǒng)，可以克服一般混沌系統(tǒng)的缺點(diǎn)。它具有多個(gè)參數(shù)、兩個(gè)或兩個(gè)以上正的Lyapunov指數(shù)和相對(duì)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)行為。同時(shí)，它能夠提高系統(tǒng)的抗破譯能力，因此，本文采用基于超混沌的視頻加密算法，將獲得更高的安全性。

文獻(xiàn)[4]在Chen氏系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)新的超混沌系統(tǒng)，其定義如下

(1)

1.2 RC4

RC4是Ronald Rivest在1987年為RSA公司設(shè)計(jì)的一種流密碼。它采用隨機(jī)置換算法和對(duì)稱密鑰技術(shù)，具有密鑰長(zhǎng)度靈活可變、基于字節(jié)操作等特點(diǎn)。該算法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、加解密速度快。

整個(gè)RC4算法包含2個(gè)部分：密鑰編排算法(Key Scheduling Algorithm， KSA)以及偽隨機(jī)序列生成算法(Pseudo Random Generation Algorithm， PRGA)。KSA算法中的S盒包含N個(gè)元素(N=2n，通常n=256)，遍歷0到N-1，由種子密鑰k對(duì)其進(jìn)行置亂，得到新的S盒。PRGA算法在新的S盒間進(jìn)行隨機(jī)置換，產(chǎn)生加密密鑰，即隨機(jī)序列。從上述描述可知，RC4的安全性取決于種子密鑰和內(nèi)在的S盒，因此本文采用超混沌序列作為其種子密鑰，提高算法的安全性。

2 算法設(shè)計(jì)

本算法方案[5]取在量化之后熵編碼之前，為了減少運(yùn)算量和密鑰開銷且不影響壓縮效率，首先，如果選在量化之前對(duì)視頻進(jìn)行加密，經(jīng)過量化后，很多系數(shù)會(huì)變成0，那么就會(huì)浪費(fèi)分配好的密鑰。其次，量化之前的加密，會(huì)破壞DCT系數(shù)自身的統(tǒng)計(jì)特性和ZigZag特性，故選擇在量化之后對(duì)DCT系數(shù)和運(yùn)動(dòng)矢量符號(hào)進(jìn)行加密，這樣就不會(huì)對(duì)壓縮比和碼率產(chǎn)生較大影響，能獲得非常好的加密效果[6]。

2.1 基于超混沌的改進(jìn)RC4加密算法

RC4[7]是一個(gè)基于隨機(jī)置換的對(duì)稱密鑰算法，其采用異或運(yùn)算進(jìn)行加密，若子密鑰序列中出現(xiàn)重復(fù)子序列，密文被破解的幾率就大大增加。傳統(tǒng)的超混沌加密算法對(duì)抗差分攻擊效果不好。針對(duì)上述問題，本文提出一種改進(jìn)型的RC4加密算法，其主要思想是利用超混沌系統(tǒng)產(chǎn)生的隨機(jī)序列作為RC4的種子密鑰發(fā)生器，隨機(jī)生成序列密鑰，增加密鑰的隨機(jī)性[8]。其步驟如下：

xi=mod((abs(xi)-floor(abs(xi)))×1014，256)

(2)

2.2 加/解密算法

(3)

(4)

(5)

分別計(jì)算得到3個(gè)新的超混沌序列Xk，Yk，Zk，用來加密AC系數(shù)和運(yùn)動(dòng)矢量。

2.2.1 加密DC系數(shù)

圖像/視頻經(jīng)過DCT變換后，使得低頻部分集中了大部分的能量，因此，為了更好地破壞圖像的可理解性，本文選擇對(duì)低頻部分的系數(shù)進(jìn)行改變。同時(shí)保證減少密鑰的開銷，降低對(duì)壓縮比的影響，又能達(dá)到相對(duì)較好的加密效果，本文采用下述算法對(duì)DC系數(shù)進(jìn)行加密：

步驟1，得到宏塊總數(shù)M，求滿足條件(2t-1

步驟3，重復(fù)步驟2得到M個(gè)隨機(jī)數(shù)；

步驟4，用洗牌算法把這M個(gè)數(shù)映射到[1，M]上，產(chǎn)生[1，M]上隨機(jī)但不重復(fù)的整數(shù)；

步驟5，用這M個(gè)整數(shù)組成置亂矩陣對(duì)DC系數(shù)進(jìn)行置亂；

步驟6，重復(fù)步驟1～4，生成M′，對(duì)置亂后的DC系數(shù)進(jìn)行擴(kuò)散。

2.2.2 加密非零AC系數(shù)符號(hào)

由于AC系數(shù)和DC系數(shù)之間的相關(guān)性，同時(shí)AC系數(shù)能反應(yīng)出圖像的細(xì)節(jié)，因此需要加密AC系數(shù)的符號(hào)位?？紤]量化后的交流系數(shù)AC中，含有大量的0，如果全部加密，勢(shì)必會(huì)增加密鑰的開銷，因此，本文選擇加密非零AC系數(shù)的符號(hào)位，這樣會(huì)大大簡(jiǎn)化計(jì)算復(fù)雜度，同時(shí)對(duì)熵編碼后的壓縮比不產(chǎn)生太大的負(fù)面影響。具體步驟如下：

步驟1，將式(5)產(chǎn)生的的混沌序列Zk根據(jù)式(6)計(jì)算

yn=(sign(xn)+1)/2,n=0,1,2,…,N-1

(6)

2.2.3 加密運(yùn)動(dòng)矢量符號(hào)

視頻圖像中的運(yùn)動(dòng)信息主要由運(yùn)動(dòng)矢量表示，因此對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行加密，可以有效防止攻擊者對(duì)P幀和B幀的破解。同時(shí)為了降低加密過程的運(yùn)算復(fù)雜度，本文僅選擇對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量的符號(hào)位進(jìn)行加密。因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)矢量采用差分編碼，加密其符號(hào)位可同時(shí)改變運(yùn)動(dòng)矢量的方向和大小。另外，運(yùn)動(dòng)矢量的編碼是在壓縮比不變的基礎(chǔ)上，對(duì)符號(hào)位進(jìn)行單獨(dú)編碼。其加密采用異或算法，與2.2.2中的加密方法一樣。如果運(yùn)動(dòng)矢量大于等于0，它的符號(hào)用“1”表示；如果小于0，就用“0”表示。這樣，所有運(yùn)動(dòng)矢量的符號(hào)可以組合成字節(jié)。利用式(3)、式(4)產(chǎn)生的序列Xk，Yk分別與x，y方向的運(yùn)動(dòng)矢量按位異或。

3 仿真結(jié)果

本算法利用MATLAB2012a平臺(tái)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，查看其加密性能。使用QCIF格式(352×288)的bus.yuv的視頻序列進(jìn)行測(cè)試。超混沌系統(tǒng)的初始值分別為[1.378，-0.581，1.649，1.528]，迭代次數(shù)N0=25，控制參數(shù)k=0.4。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1～圖2所示。圖1為bus.yuv第5幀截圖，圖2為加密后bus.yuv第5幀截圖。

圖1 bus原始圖像

圖2 bus加密圖像

4 安全性分析

4.1 密鑰空間分析

在本文算法中，分別應(yīng)用DC系數(shù)加密、AC系數(shù)符號(hào)加密和運(yùn)動(dòng)矢量符號(hào)加密。因此密鑰空間由4個(gè)初始密鑰x0，y0，z0，w0和迭代次數(shù)N0組成。假設(shè)DC系數(shù)加密過程為P1，AC系數(shù)符號(hào)加密過程為P2，運(yùn)動(dòng)矢量x方向加密過程為P3，運(yùn)動(dòng)矢量y方向加密過程為P4，迭代次數(shù)N0為P5，則該算法密鑰空間為P=P1×P2×P3×P4×P5。這里，每個(gè)參數(shù)精度都可達(dá)10-16，密鑰空間可達(dá)10-80，在實(shí)際使用過程中，即使精度稍有降低，密鑰空間也仍然很大，足以抵抗窮舉攻擊。

4.2 密鑰敏感性分析

參數(shù)的敏感性直接影響到加密系統(tǒng)的密鑰空間大小，因?yàn)閰?shù)越是敏感，實(shí)際有效的密鑰量就越大，更能有效地抵抗窮舉攻擊。

一個(gè)優(yōu)秀的密碼系統(tǒng)應(yīng)該對(duì)密鑰具有極端的敏感性，并在一定程度上保證密碼系統(tǒng)抵抗暴力攻擊的安全性。因此，對(duì)本文算法進(jìn)行密鑰敏感性測(cè)試。給初始值加入一個(gè)1016的改變，將其作為加密密鑰，用加密的結(jié)果與初始密鑰得到的視頻序列進(jìn)行比較。由圖3可以看出，初始密鑰極微小的改變也會(huì)產(chǎn)生完全不同的加密結(jié)果。

圖3 密鑰敏感性測(cè)試

4.3 直方圖分析

圖像的直方圖可以顯示像素在圖像中的亮度水平分布。如圖4所示分別為原始視頻圖像和加密視頻圖像的統(tǒng)計(jì)直方圖。

圖4 視頻圖像直方圖比較

根據(jù)原始視頻圖像和加密視頻圖像的直方圖可以看到，加密后圖像的直方圖呈均勻分布狀態(tài)，與加密前的完全不同。因此，攻擊者無法根據(jù)視頻圖像的統(tǒng)計(jì)特性破譯出原始視頻，本文中算法足以抵抗統(tǒng)計(jì)分析攻擊[9-10]。

4.4 相關(guān)性分析

原始數(shù)字視頻相鄰像素間通常具有較高的相關(guān)性。香農(nóng)提出擴(kuò)散和置亂兩種方法可以抵抗基于統(tǒng)計(jì)分析的攻擊，而加密算法的本質(zhì)就是對(duì)視頻像素進(jìn)行置亂和擴(kuò)散。理想的加密算法應(yīng)該使加密視頻相鄰像素間零相關(guān)性[11-12]。

原始視頻和加密視頻一幀中相鄰像素在垂直、水平以及對(duì)角方向上的相關(guān)系數(shù)可以由式(7)計(jì)算得到

(7)

本文從水平、垂直以及對(duì)角方向隨機(jī)選取1 000對(duì)相鄰像素對(duì)，分別進(jìn)行相關(guān)系數(shù)計(jì)算。表1列出了不同方向上的相關(guān)系數(shù)值。圖5分別顯示原始視頻和加密視頻一幀垂直方向上兩個(gè)相鄰像素間的相關(guān)系數(shù)。

表1 相關(guān)系數(shù)

圖5 垂直方向相鄰像素相關(guān)性比較

4.5 計(jì)算量分析

本加密算法僅加密視頻流中少量的關(guān)鍵信息，在對(duì)非零AC系數(shù)符號(hào)、運(yùn)動(dòng)矢量系數(shù)符號(hào)加密時(shí)，僅用異或運(yùn)算，計(jì)算量很小。故其加密或解密的速度是非常快的，計(jì)算量很低，適用于實(shí)時(shí)加密。

5 結(jié)論

本文結(jié)合超混沌系統(tǒng)和RC4的特點(diǎn)提出了一種安全的視頻加密方案。因?yàn)槌煦缦到y(tǒng)對(duì)初始條件的敏感性，在加密視頻過程中可以大大提高參數(shù)的安全性。將經(jīng)過RC4加密的超混沌序列加密參考幀的DC系數(shù)、AC系數(shù)運(yùn)動(dòng)矢量。仿真結(jié)果和性能分析表明，該算法具有足夠大的密鑰空間和快速的加密效率，從而保證了視頻的安全性。

[1] TANG Lei. Methods for encryption and decryption MPEG video data efficiently[C]//Proc. 4th ACM International Conference on Multimedia. New York：ACM Press，1996：219-229.

[2] SHI C，BHARGAVA B. Light-weight MPEG video encryption algorithm[C]//Proc. International Conference on Multimedia. New Delhi：IEEE Press，1998：55-61.

[3] HEPHZIBAH K，GNANOU F S. Encryption of digital video encryption based on Lorenz chaotic system[C]//Proc. 16th International Conference on Advanced Computing and Commuication. Chennai：IEEE Press，2008：40-45.

[4] WANG Wei， LIU Fenlin，GE Xin，et al. Color image encryption algorithm based on hyper chaos[C]//Proc. 2nd IEEE International Conference on Information Management and Engineering. Chengdu：IEEE Press，2010：271-274.

[5] 王靜波，周栩，許相莉，等.基于視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)H.264的視頻加密算法[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：理學(xué)版，2009，47(1)：75-81.

[6] CHEN Qiuqiong，ZHANG Zhenjuan. New video compression and encryption algorithm based on hyper-chaos[C]//Proc. 9th International Conference on Fuzzy Systems and Knowledge Discovery. [S.l.]： IEEE Press，2012：1869-1873.

[7] 劉宴兵，田四梅，唐浩坤，等.基于混沌的RC4流加密算法[J].計(jì)算機(jī)工程， 2011，37(2)：136-138.

[8] GINTING R U，DILLAK R Y. Digtal color image encryption using RC4 sream cipher and chaotic logistic map[C]//Proc. International Conference on Information Technology and Electrical Engineering. Yogyakarta： IEEE Press，2013：101-105.

[9] TONG Xiaojun，LIU Yang，ZHANG Miao，et al. A novel image scheme based on dynamical multiple chaos and baker map[C]//Proc. 11th International Symposium on Distributed Computing and Applications to Business，Engineering & Science. [S.l.]：IEEE Press，2012：285-289.

[10] YAO Huazhen，JING Yatao. The design of video-conference encryption system based on H.264[C]//Proc. International Conference on Multimedia Technology. Ningbo： IEEE Press，2010：1-4.

[11] LEI Lihong， BAI Fengming， HAN Xuehui. New image encryption algorithm based on logistic map and hyper-chaos[C]//Proc. International Conference on Computional and Information Sciences. Shiyan： IEEE Press，2013：713-716.[12]LIANG Yuan，GUO Ke，LI Jianping. An improved video encryption method design[C]//Proc. 10th International Computer Conference on Wavelet Active Media Technology and Information Processing. Chengdu： IEEE Press，2013：95-99.

張建中(1960— )，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樾畔踩c密碼學(xué)及認(rèn)證理論。

責(zé)任編輯：時(shí) 雯

RC4 Video Encryption Algorithm Based on Hyper-chaos

TIAN Lu1，XIE Shucui1，ZHANG Jianzhong2

(1.SchoolofTelecommunicationandInformationEngineering，Xi’anUniversityofPostsandTelecommunications，Xi’an710061，China；2.CollegeofMathematicsandInformationScience，ShaanxiNormalUniversity，Xi’an710062，China)

In view of the safety of video transmission， a novel video encryption algorithm base on hyper-chaos system and RC4 is put forward in this paper. Four chaotic sequences of hyper-chaotic map are used as the key of RC4 algorithm to encrypt DC coefficients， nonzero AC coefficients symbols and motion vector symbols. The experimental results prove that the algorithm has a larger key space， high sensitivity and high key security.

hyper-chaos；RC4；video encryption

【本文獻(xiàn)信息】田璐，謝淑翠，張建中.基于超混沌RC4的視頻流加密算法[J].電視技術(shù),2015，39(11).

TN929

A

10.16280/j.videoe.2015.11.004

田 璐(1989— )，女，碩士生，主要研究方向網(wǎng)絡(luò)與信息安全；

謝淑翠(1964— )，女，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槊艽a學(xué)與信息安全；

2015-04-21