及翠婷，王佳君，孫辰軍，王 靜，鄭 濤

（國網(wǎng)河北省電力有限公司信息通信分公司，河北 石家莊 050021）

0 引言

電網(wǎng)監(jiān)控應(yīng)用場景靈活多樣，對監(jiān)控視頻傳輸?shù)那逦浴⒎€(wěn)定性、安全性和可靠性提出了更高要求，但監(jiān)控場景的多樣化，監(jiān)控環(huán)境條件的不確定性，導(dǎo)致視頻傳輸?shù)陌踩詿o法保障。目前常見的視頻加密方式總體上有對稱加密和非對稱加密兩種。對稱加密只有一個密鑰，加密過程容易實現(xiàn)，且密鑰管理簡單，但是密鑰容易被截獲，數(shù)據(jù)容易被竊取破密。非對稱加密使用一對密鑰進(jìn)行加密和解密，安全性能高[1]，但是密鑰管理難度大，且在非安全信道中傳輸，密鑰交換的安全性無法保障。本文提出一種基于哈希認(rèn)證與交叉混沌算法的視頻加密傳輸方法，對傳輸視頻進(jìn)行雙重保護(hù)，能夠準(zhǔn)確定位傳輸差錯的數(shù)據(jù)塊，檢錯效率高。

1 現(xiàn)有視頻傳輸校驗技術(shù)

常用的視頻校驗技術(shù)集中應(yīng)用在傳輸層和解碼端。

1.1 視頻傳輸層上的校驗

在傳輸層中，視頻基于網(wǎng)絡(luò)傳播，需要遵循傳輸控制協(xié)議（TCP）[2]或用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP），基于數(shù)據(jù)封包的協(xié)議嚴(yán)格定義了節(jié)點間規(guī)范的數(shù)據(jù)傳輸方法，能夠?qū)?shù)據(jù)格式化，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)的確認(rèn)和丟失重傳。此方法是利用傳輸協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)格式來判別數(shù)據(jù)的完整度，只能檢錯不能糾錯。

在視頻傳輸層上還存在一種向前糾錯（FEC）方法。該方法采用差錯控制編碼，通過在原碼中插入冗余碼元，使碼元之間產(chǎn)生特定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，在解碼端解碼后依照這種關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗，能夠自動識別數(shù)據(jù)傳輸錯誤并在接收端自動糾正。但是添加的冗余碼元，增加了傳輸帶寬，以帶寬換可靠性的傳輸方式，在帶寬資源日益緊張的情況下并不被經(jīng)常采用。

1.2 視頻解碼端的校驗

常用的視頻校驗技術(shù)有基于視頻內(nèi)容和基于編解碼標(biāo)準(zhǔn)格式兩種。

1.2.1 基于視頻關(guān)鍵幀特征的校驗技術(shù)

關(guān)鍵幀是指在一段監(jiān)控視頻中，含有有效數(shù)據(jù)信息最多，能代表主要采集內(nèi)容的圖像幀。視頻特征范圍包括顏色、紋理、形狀、輪廓、運動軌跡等，需要基于某一具體特征進(jìn)行關(guān)鍵幀的提取。視頻圖像具有連續(xù)平滑特性，根據(jù)微積分原理，如果把一段連續(xù)的視頻無限分割，當(dāng)分割次數(shù)趨于無窮大時，則相鄰的兩幀圖像具有極高的相似度。因此，通過比較關(guān)鍵幀的相似度，如果超過規(guī)定的閾值，則說明此處視頻發(fā)生傳輸錯誤，從而定位到差錯位置。此方法對視頻內(nèi)容依賴度很高，算法實現(xiàn)復(fù)雜。

1.2.2 基于視頻壓縮格式的校驗技術(shù)

為降低算法實現(xiàn)的復(fù)雜度，相關(guān)學(xué)者提出基于視頻壓縮格式的校驗方法。因為視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)有著嚴(yán)格且固定的語法結(jié)構(gòu)，依據(jù)這種語法結(jié)構(gòu)對視頻圖像進(jìn)行壓縮，實現(xiàn)高效率傳輸。壓縮視頻在解碼端進(jìn)行解碼后，參照編碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行語法和語義的對比，從而確定出差錯的位置和類型[3]。此方法雖然算法實現(xiàn)簡單，但是無法有效識別已發(fā)生傳輸錯誤卻仍滿足語法格式和語義要求的視頻，導(dǎo)致差錯被隱藏而累積到之后的視頻中，影響后續(xù)視頻的正確解碼，滯后報錯和漏檢概率高。

為解決上述視頻傳輸校驗技術(shù)的不足，本文面向電網(wǎng)監(jiān)控領(lǐng)域，提出一種基于哈希認(rèn)證與交叉混沌算法的視頻加密傳輸方法，有效解決視頻傳輸差錯算法難以實現(xiàn)與定位不準(zhǔn)確的問題。哈希算法用于對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行身份認(rèn)證，交叉混沌算法用于對視頻內(nèi)容進(jìn)行加密，兩者共同使用，可提高視頻傳輸?shù)陌踩耘c可靠性。

2 交叉混沌加密算法

2.1 交叉混沌序列特性

交叉混沌加密是基于混沌序列的初值敏感性、不可預(yù)測性、偽隨機性等良好特性而產(chǎn)生的[4]，被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)傳輸安全保密領(lǐng)域。交叉混沌加密算法的核心是混沌映射函數(shù)，典型的混沌映射有3種：單峰映射、切比雪夫映射和貓映射。本文提出的交叉混沌序列，具有更強的偽隨機性，能夠增強密鑰空間，提高安全傳輸效能。

2.2 交叉混沌序列函數(shù)

本文使用的混沌映射函數(shù)定義如下：

式中：xt、yt為兩個相互交叉的混沌映射，x0、y0為初始狀態(tài)；p、k為系統(tǒng)參數(shù)[5]，作為產(chǎn)生密鑰的因子，需要進(jìn)行保存；xt+1和yt+1分別為映射后的兩個序列。

由上述公式可知，不管經(jīng)歷多少次迭代，x，y∈(? 1，1 )。基于式（1），構(gòu)造加密密鑰流，公式如下：

式中：m為浮點數(shù)的精度，即小數(shù)點后的有效數(shù)字位數(shù)，計算機中單精度浮點數(shù)的精度為32位，故此處取m=32；kt為加密密鑰流，需要保存。

對式（1）迭代擴散500次，使其進(jìn)入良好的偽隨機狀態(tài)。將任意對應(yīng)的xt或yt映射到式（2）中，最終產(chǎn)生的kt即為加密密鑰流，可用于對監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)流加密。

2.3 交叉混沌加密算法

交叉混沌加密算法為：

式中：x為需要加密的監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)（明文），以固定bite位數(shù)的數(shù)據(jù)包格式存在；l為x所對應(yīng)的bite位數(shù)，通過模運算和異或運算，最終得到的x'即為加密視頻數(shù)據(jù)流（密文）。異或運算不會改變數(shù)據(jù)包的長度，因此加密前后的視頻流長度相等，不會降低視頻壓縮效率，實用性強。

3 哈希認(rèn)證

哈希是一種壓縮映射，能夠把任意長度的輸入值映射成固定長度的哈希值，且這種映射過程是單向不可逆的，即無法通過散列值結(jié)果去追溯輸入值。哈希算法還具有唯一性，即輸入與輸出是唯一對應(yīng)的，輸入中任何微小的變化必然引起輸出結(jié)果的較大差異。利用哈希算法的單向性和唯一性校驗視頻數(shù)據(jù)的完整性，可完成收發(fā)端視頻數(shù)據(jù)的認(rèn)證。

3.1 哈希認(rèn)證基本原理

監(jiān)控視頻基于協(xié)議數(shù)據(jù)包的格式在網(wǎng)絡(luò)上傳輸。因此，在傳輸前，首先對單元進(jìn)行哈希運算，輸出哈希值（散列值），然后采用交叉混沌算法進(jìn)行簽名，將已簽名的哈希值插入傅里葉變換單元輸出數(shù)據(jù)包的最前端，與輸出視頻數(shù)據(jù)包的本身頭部字段共同構(gòu)成新的控制字段，作為數(shù)據(jù)包的包頭字段。接收端收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行解碼，并利用交叉混沌算法進(jìn)行解密，得到一個個完整數(shù)據(jù)包。提取每個數(shù)據(jù)包的包頭字段，對數(shù)據(jù)包內(nèi)容字段進(jìn)行哈希處理，得到新的哈希值。將新哈希值與解密后的舊哈希值進(jìn)行對比，如果一致表示此數(shù)據(jù)包的內(nèi)容數(shù)據(jù)傳輸正確，如果不一致表示傳輸錯誤。

3.2 哈希認(rèn)證方法

哈希認(rèn)證示意圖如圖1所示，一個完整數(shù)據(jù)包哈希認(rèn)證過程為：對第K個數(shù)據(jù)包的頭部字段、內(nèi)容字段分別進(jìn)行哈希運算，得到對應(yīng)的哈希值字段1和哈希值字段2。首先將原數(shù)據(jù)包的內(nèi)容字段所對應(yīng)的哈希值字段2，插入到原數(shù)據(jù)包的頭部字段前面，然后將原數(shù)據(jù)包的頭部字段所對應(yīng)的哈希值字段1，插入到哈希值字段2的前面，由哈希值字段1、哈希值字段2、原數(shù)據(jù)包的頭部字段共同組成第K個數(shù)據(jù)包的新頭部字段。

圖1 哈希認(rèn)證示意圖

4 基于哈希認(rèn)證與交叉混沌算法的視頻加密傳輸方法

4.1 編碼端加密認(rèn)證

編碼端加密流程如圖2所示。編碼端收到待傳輸?shù)谋O(jiān)控視頻數(shù)據(jù)信息后，依據(jù)IP協(xié)議格式，提取視頻數(shù)據(jù)包的頭部字段和內(nèi)容字段；分別對頭部字段和內(nèi)容字段進(jìn)行哈希運算，得到相應(yīng)的哈希值字段；將原視頻數(shù)據(jù)包對應(yīng)的哈希字段與原數(shù)據(jù)包的內(nèi)容字段，按照圖1組成新數(shù)據(jù)包，形成新數(shù)據(jù)流；用交叉混沌算法對新數(shù)據(jù)流進(jìn)行加密。

圖2 編碼端加密流程圖

4.2 解碼端解密認(rèn)證

解碼端解密流程如圖3所示。解碼端接收到信道傳輸來的視頻數(shù)據(jù)信息后，用交叉混沌算法的密鑰進(jìn)行解密。解密后提取數(shù)據(jù)包的新包頭字段和內(nèi)容字段，繼續(xù)將新包頭字段拆分為哈希值字段1、哈希值字段2、原有數(shù)據(jù)包的頭部字段；然后對原有數(shù)據(jù)包的頭部字段和內(nèi)容字段進(jìn)行哈希運算，得到新哈希值字段11、新哈希值字段21。對比新哈希值字段11和舊哈希值字段1，如果一致表示對應(yīng)數(shù)據(jù)包的原有頭部字段全部傳輸正確，如果不一致表示傳輸發(fā)生錯誤。對比新哈希值字段21和舊哈希值字段2，如果一致表示對應(yīng)數(shù)據(jù)包的原有內(nèi)容字段全部傳輸正確，如果不一致表示傳輸發(fā)生錯誤。

圖3 解碼端解密流程圖

此種方法能夠辨別視頻數(shù)據(jù)傳輸是否完整，并準(zhǔn)確定位傳輸差錯發(fā)生的位置區(qū)間，防止數(shù)據(jù)在傳輸過程中被篡改。

5 應(yīng)用場景及性能分析

電力行業(yè)對生產(chǎn)安全穩(wěn)定要求高，早期部署的安防設(shè)備和系統(tǒng)主要以視頻監(jiān)控為主，防止電力設(shè)施被盜、被破壞。近年來隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的全面推進(jìn)，電力行業(yè)對信息采集與狀態(tài)監(jiān)控的需求日益增強。電網(wǎng)運行態(tài)勢的研判，生產(chǎn)設(shè)備的可靠運行，越來越需要安全可靠的視頻信息。例如依托變電站建立智能讀表與刀閘狀態(tài)分析系統(tǒng)，利用視頻安全傳輸與智能分析技術(shù)，直接通過視頻獲取變電站現(xiàn)場表盤讀數(shù)及分析刀閘開合狀態(tài)，可減少人工親臨現(xiàn)場查驗的頻次，一定程度上提高操作效率。同時，巡檢機器人、輸電線路無人直升機智能巡檢系統(tǒng)及車載、單兵等移動視頻設(shè)備的接入，可代替人工在具有安全風(fēng)險等特性的電力作業(yè)場所“執(zhí)勤”，滿足隨時隨地對變電站內(nèi)外部進(jìn)行監(jiān)控及巡檢的需求。

提取電力監(jiān)控視頻傳輸序列中的一幀圖像進(jìn)行仿真。采用單一的混沌序列加密算法對圖像進(jìn)行處理的結(jié)果如圖4所示，采用本文加密算法對圖像進(jìn)行處理的結(jié)果如圖5所示。

圖4 采用單一的混沌序列加密算法圖像處理結(jié)果

圖5 采用本文加密算法圖像處理結(jié)果

由圖可見，采用單一的混沌序列加密算法，雖然隱去圖像中的細(xì)節(jié)，但是依舊能夠辨認(rèn)出整體的輪廓，尤其是顏色較深的部分更加明顯。而采用本文提出的加密算法，無法辨認(rèn)出原始圖像的基本輪廓，加密效果更好。

選取3個不同廠家不同配置的加密設(shè)備，針對同一段電力監(jiān)控視頻，在實驗室條件下，均使用本文提出的加密算法進(jìn)行仿真處理，研究視頻壓縮比變化率，壓縮和傳輸過程是否對加密和解密設(shè)備有過高性能要求。不同加密設(shè)備性能對比如表1所示，不同解密設(shè)備性能對比如表2所示。

表1 不同加密設(shè)備性能對比

表2 不同解密設(shè)備性能對比 單位：s

由表可見，不同品牌的加密或解密設(shè)備對同一視頻進(jìn)行加密或解密，其性能相差無幾，因此本文提出的加密算法，針對不同的加密和解密設(shè)備具有較好的兼容性。同時，該方法兼顧視頻傳輸效率與可靠性，可確保數(shù)據(jù)傳輸流暢，允許視頻適當(dāng)衰減。

6 結(jié)語

與傳統(tǒng)監(jiān)控視頻校驗技術(shù)相比，本文提出的視頻加密傳輸方法，基于哈希算法的唯一性和單向不可逆的特點，能夠校驗視頻的完整性，并可準(zhǔn)確定位視頻傳輸差錯位置；基于交叉混沌算法的偽隨機性和不可預(yù)測性，提高了密鑰傳輸?shù)陌踩浴９ＵJ(rèn)證和交叉混沌兩者結(jié)合使用，能夠面向電網(wǎng)監(jiān)控領(lǐng)域，對攝像頭采集的監(jiān)控視頻提供雙重安全傳輸保障，確保監(jiān)控視頻傳輸?shù)耐暾恢滦院筒豢傻仲囆浴?/p>