（控制理论与控制工程专业论文）基于mpeg4的视频加密算法研究及其dsp实现.pdf

南京理工大学硕士学位论文基于m p e g4 的视频加密算法研究及其d s p 实现 摘要 随着多媒体技术、特别是网络通信技术的飞速发展和普及，以及无线通信技术的 广泛使用，多媒体数据在网络中的传输更加频繁，同时也使愈来愈多的人更容易接触 和获取传输存储处理中的数字图像和视频，威胁到其中所含信息的安全。因而多媒体 信息的安全与保密就显得非常重要，成为新的研究热点。 本文在综述加密算法研究现状的基础上，对肝e g 视频加密算法的具体实现及其 d m 6 4 2 移植作了一定的研究，主要研究内容如下： 在对m p e g - 4v i s u a lx v i d 源代码简化的基础上，设计实现了m p e g 常规视频 加密算法中具有代表性的v e a 算法和熵编码码表置乱算法，文中对算法韵计算复杂 度、安全性等作了实验性分析。同时将嵌入熵编码码表置乱算法的视频编码器和解码 器进行独立封装，将编码加密与解码解密完全分离开，对编解码器的软件结构进一步 模块化、层次化。最后成功地将编码器与解码器在多媒体数字信号处理器d m 6 4 2 系 统上进行了移植，并在文中给出了软件仿真与硬件仿真结果。在移植的过程中，进一 步按d m 6 4 2 的硬件结构对解码器作了软件优化，提高了解码实时处理性能，为下一 步在d m 6 4 2 系统上开发视频采集、视频播放、编解码加解密实时对接提供了有效的 平台。 关键词：m p e g - 4 ，视频加密，v e a ，混沌密码，d m 6 4 2 南京理工大学硕士学位论文基于m p e g4 的视频加密算法研究及其d s p 实现 a b s t r a c t 腑t h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r k t e c h n o l o g y , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n d m u l t i m e d i at e c h n o l o g y , t h em u l t i m e d i ad a t ai sw a n s m i r e df r e q u e n t l yi nt h en e t w o r k , w h i c hm a k e se a v e s t r o p p i n ga n dm o d i f i c a t i o ne a s y , t h e r e f o r eh e a v i l yt h r e a t e nt h es e c u r i t y o f t h ei n f o r m a t i o n t h em o r ea n dm o r ei m p o r t a n c eo f t h em u l t i m e d i ai n f o r m a t i o ns e c u r i t y h a ss p a r k l e da na v a l a n c h er e s e a r c ho f t h ee n c r y p t i o na l g o r i t h mo f m u l t i m e d i ad a t a i nt h i s t h e s i s t h ed i s a d v a n t a g e so f t h et r a n d i t i o n a lc i p h e r sh a v eb e e np o i n t e do u ta n db yt o f t h e f e a t u r e so fm p e gv i d e od a t as t r e a m s e v e r a lv i d e oe n c r y p t i o na l g o r i t h m sh a v eb e e n s t u d i e da n dt r a n s p l a n t e dt oad s pe v a l u a t i o nb o a r dw i t hd m 6 4 2p r o c e s s o r t h em a i nw o r k o f t h et h e s i si sl i s t e da sf o l l o w s ： f i r s ta s i m p l i f i e dv e r s i o no fx v i dp a c k a g et h a ti sb a s e do l lm p e g 4v i d e oc o d e c s t a n d a r dw a so b t a i n e d t h e n , t h ev e a ( v i d e oe n c r y p t i o na l g o r i t h m ) p a r t i a lv i d e o e n c r y p t i o na l g o r i t h ma n da ne n c r y p t i o na l g o r i t h mt h a ts c r a m b l e st h et a b l eo f e n t r o p yc o d e r w e r ed e s i g n e d , a n a l y z e d ，i m p l e m e n t e da n dt e s t e d 1 1 l a t e re n c r y p t i o na l g o r i t h mw a s f u r t h e ri n t e g r a t e di n t ot h ex v i dc o d e c t h ex v i de n c o d e ra n dd e c o d e rw e 犯e n c a p s u l a t e d r e s p e c t i v e l yt om a k e t h ew h o l es o f t w a r es y s t e mm o d u l a r i z e da n d h i e r a r c h i c a l f i i l a l l y , t h e e n c o d e ra n dd e c o d e ra r eb o t hr e a l i z e d0 1 1ap r o c e s s o rd m 6 4 2 s i m u l a t i o na n de m i l u t i o n e x p e r i m e n t a lr e s e a l sa r ea l s or e p o r t e di nt h et h e s i s f i n a l l y , t h ed e c o d e rs y s t e mb a s e do n t h ed m 6 4 2w a so p t i m i z e d n 艟e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c ei nt e r m so f r e a l - t i m ep r o c e s s i n gi se n h a n c e d k e yw o r d s ：m p e g - 4 ，v i d e oe n c r y p t i o n , y e a , c h a o s - b a s e dc i p h e r , d m 6 4 2 南京理工大学硕士学位论文基于m p e g4 的视频加密算法研究及其d s p 实现 1 绪论 1 1 视频加密的研究背景 随着网络技术、多媒体计算机以及通信技术的飞速发展，人们相互之间的交流越 来越要求直观化、实时化。这种需求推动了视频点播、远程教育、远程医疗、实时视 频会议、实时监控等视频传输系统的广泛应用及高速发展。但这同时也带来了信息安 全的隐患问题。据统计全世界几乎每2 0 秒钟就有一起黑客入侵事件发生u 】，现在信 息安全技术不但关系到个人通信的隐私问题，关系到一个企业的商业机密和企业的生 存问胚( 仅美国每年由于信息安全问题所造成的经济损失就超过1 0 0 亿美元) ，而且 也关系到一个国家的安全问题。因此信息安全技术越来越受到全社会的普遍关注。要 求采取有效措施维护信息提供商和用户合法权利和利益的呼声也越来越高，因而诸如 视频信号等的保密工作及其加密技术的研究就显得十分紧迫和重要。早期的安全方法 主要依赖于权限控制，如视频点播系统仅仅通过用户名和密码来实现浏览和下载权限 的调控。但是，在传输过程中视频数据本身没有被保护，通过权限控制无法保证实际 视频数据的安全，易被窃取。针对这种情况，很有必要研究视频数据的保护方案。经 实践证明，视频加密是保证数字视频安全的一种有效方法。作为视频压缩技术标准的 m p e g 自然成为数字视频加密研究中的热点。然而，m p e g 视频加密不同于普通的文 本加密：m p e g 视频数据流具有数据量大、传输比特率高、实时性强、对同步要求严 格等特点，其加密算法必须妥善权衡系统开销与安全强度之间的矛盾。传统的数据加 密技术翻将其作为普通的数据流进行加密，忽略了m p e g 视频数据结构的特点，具有 一定的局限性。因此，把数据加密技术与视频压缩编码技术结合起来，研究新的视频 加密技术具有很强的理论意义和应用价值。 1 2 视频加密技术概述 1 2 1 视频压缩技术简介 信息的数字化是信息时代的重要特征，数字化了的信息带来了“信息爆炸”。多媒 体计算机系统技术是面向三维图形、立体声和彩色全屏幕运动画面的处理技术。数字 计算机面临的是数值、文字、语言、音乐、图形、动画、静图像、电视视频图像等多 种媒体承载的由模拟量转化成数字量信息的存储和传输的问题。数字化了的视频和音 频信号的数据量之大是非常惊人的。下面列举几个未经压缩的数字化信息的例子 3 1 ： ( 1 ) 一页印在b 5 ( 约1 8 0 m m 2 5 5 m m ) 纸上的文件，若以中等分辨率( 3 0 0 d p i 约1 2 像素点r a m ) 的扫描仪进行采样，其数据量约6 6 1 m b 页。一片6 5 0 m b 的 硕士论文 c d r o m 可存9 8 页。 ( 2 ) 双通道立体声激光唱盘( c d a ) ，采样频率为4 4 1 k h z ，采样精度1 6 位样 本，其采样速率为4 4 1 x 1 0 3 x 1 6 x 2 = 1 4 1 ( m b s ) 。一个6 5 0 m b 的c d r o m 可存约1 小时的音乐 ( 3 ) 数字音频磁带( d a ：r ) ，采样频率4 8 k h z ，采样精度1 6 位，样本，其采样速 率为4 4 1 x 1 0 3 x 1 6 = 7 6 8 ( k b s ) ，一个6 5 0 m b 的c d r o m 可存储近2 小时的节目。 ( 4 ) 数字电视图像： s i f ( s o u r c ei n p u tf o r m a t ) 格式，n t s c 制、彩色、4 ：4 ：4 采样； 每帧数据量3 5 2 x 2 4 0 x 3 = 2 5 3 ( k b ) ； 每秒数据量( 位率) 2 5 3 x 3 0 = 7 6 0 3 ( m b ，s ) ； 一片c d r o m 可存帧数6 5 0 + 0 2 5 3 = 1 2 2 6 k ( 帧，片) ； 一片c d r o m 可存节目时间( 6 5 0 7 6 0 3 ) 6 0 = 1 4 2 ( 分，片) 。 c c i r ( i n t e r n a t i o n a lc o n s u l t a t i v ec o m m i t t e ef o rr a d i o ) 格式，p a l 制、4 ：4 ：4 采 样； 每帧数据量7 2 0 x 5 7 6 x 3 = 1 2 4 ( m b ) ； 每秒数据量1 2 4 x 2 5 = 3 1 3 ( m b s ) ； 一片c d - r o m 可存帧数6 5 0 + - 1 2 4 = 0 5 2 4 k ( 帧，片) ； 一片c d r o m 可存节目时间6 5 0 + 3 1 1 = 2 0 9 ( 秒片) 。 再举个陆地卫星( l a n d s a t - 3 ) 的例子( 其水平、垂直分辨率分别为2 3 4 0 和3 2 4 0 ， 四波段、采样精度7 位) ，它的一幅图像的数据量为2 3 4 0 x 3 2 4 0 x 7 x 4 - - 2 1 2 ( m b ) ，按 每天3 0 幅计，每天数据量为2 1 2 x 3 0 - - 6 3 6 ( g b ) ，每年的数据量高达2 3 0 0 ( g b ) 。 从以上列举的数据例子可以看出，数字化信息的数据量是何等庞大，这样大的数 据量，无疑给存储器的存储容量、通信干线的信道传输率以及计算机的速度都增加了 极大的压力。这个问题是多媒体技术发展中的一个非常棘手的瓶颈问题，解决这一问 题的办法，单纯用扩大存储器容量、增加通信干线的传输率的办法是不现实的。数据 压缩技术是个行之有效的方法，通过数据压缩手段把信息数据量压下来，以压缩形式 存储和传输，既紧缩节约了存储空间，又提高了通信干线的传输速率，同时也使计算 机实时处理音频、视频信息，以保证播放出高质量的视频、音频节目成为可能。多媒 体数据压缩不仅是必要的而且也是可能的，原因是，多媒体文、声、静图像、视频图 像等信源数据有极强的相关性，也就是说有大量的冗余信息。数据压缩就是将庞大数 据中的冗余信息去掉( 去除数据之间的相关性) ，保留相互独立的信息分量，以静图 像画面为例，数字图像的灰度信号和色差信号在空域( x ，y 座标系) 虽然属于一个 随机场分布，但是它可以看成为一个平稳的马尔柯夫场。通俗地理解，图像像素点在 空域中的灰度值和色差信号值，除了边界轮廓外，都是缓慢变化，比如一幅头肩人像 2 南京理工大学硕士学位论文基于m p e g4 的视频加密算法研究及其d s p 实现 图，背景、人脸、头发等处的灰度、颜色都是平缓改变。相邻像素的灰度和色差值比 较接近，具有强的相关性，直接用采样数据( p c m 码) 表示灰度和色差，信息有较 多的冗余。但是如何先排除冗余信息，再进行编码，使表示每像素的平均比特数下降， 这就是通常所说的电视图像的帧内编码，以减少空域冗余进行数据压缩。电视图像是 沿时间轴方向的一个帧序列，其帧间图像的相关性也很强，通常用减少帧间传送帧的 数目即降低帧率，以减少时域的冗余信息，采用运动估计和运动补偿的方法以满足解 码图像质量要求。 视频压缩编码系统的基本结构如图1 1 所示： 摄 显 图1 1 视频编码系统 由图可见，视频编码方法与所采用的信源模型有关。如果采用“一幅图像由许多 像素构成”的信源模型，这种信源模型的参数就是每个像素的亮度和色度的幅度值。 对这些参数进行压缩编码的技术称为基于波形的编码。如果采用一个分量有几个物体 构成的信源模型，这种信源模型的参数就是各个物体的形状、纹理和运动。对这些参 数进行压缩编码的技术被称为基于内容的编码。由此可见，根据采用的信源模型，视 频编码可以为分两大类：基于波形的编码和基于内容的编码。它们利用不同的压缩编 码方法，得到相应的量化前的参数；再对这些参数进行量化，用二进制码表示其量化 值；最后，进行无损熵编码进一步压缩码率。解码则为编码的逆过程。利用像素间的 空间相关性和帧间的时间相关性，采用预测编码和变换编码技术可大大减少视频信号 弹的相关性，从而显著降低视频序列的码率，实现压缩编码的目标【4 】 1 2 2 视频加密的特殊性 视频加密技术是利用密码学方法来保护视频数据的技术，因此，其基础是密码学 与视频压缩编码的有机结合。其中，密码学理论给出加解密算法的设计方法和安全性 分析方法；视频压缩编码技术给出视频数据的数据处理、编码、存储和传输等方法。 硕士论文 下面首先来讨论一下密码学。 密码学以研究秘密通信为目的。即研究对传输信息采取何种秘密的变换以防止第 三者对信息的窃取。密码学的研究内容包含两个方面：一是加密算法的设计和研究， 另一部分是密码分析。前者是研究把信息变换成为没有密钥不能解读或很难解读的密 文的方法，其任务是构造具有高强度密码的算法，满足对消息进行加密或认证的要求； 后者是研究分析破译密码的方法，其任务是破译密码或伪造认证密码，窃取机密信息 或进行其他诈骗破坏活动。这两部分内容是矛与盾的两方面。 密码编码主要包括传统密码和混沌密码。传统密码郾】是以数论为基础的密码编 码方法，通常以破解难度作为安全性指标，如r s a 【6 】算法是以大素数分解困难为基础 的，椭圆曲线密码 7 1 是以离散对数的难解问题为基础的，d e s i d e a a e s 等【8 只1 0 】是以 多次混乱和扩散带来的高计算复杂度为基础的。混沌密码【1 1 1 2 l 是以混沌的初值敏感 性、混乱性、各态历经性和类随机性等特性为基础的密码编码方法。 密码分析附】是密码编码的逆过程，即破解设计的密码算法，在不知道密钥的情 况下，恢复出明文密码的安全性决定于密钥，因此，破解密码算法的过程就是破解 密钥的过程。每一个密码算法在使用前都要使用密码分析方法进行安全性认证。常用 的密码分析方法有很多种，根据分析方法所获得的信息的不同，可以分为唯密文攻击、 已知明文攻击和选择明文攻击等。根据破译方法的不同，又可以分为穷举攻击、统计 攻击、差分攻击和线性分析等。 经典密码学一般将密码分成分组密码( b l o c k c i p h e r ) 和流密码( s 订e a m c i p h e r ) 。 分组密码是指将明文消息编码表示后的数字( 通常是0 和1 ) 序列毛，是，划分成长度 为m 的分组x = “，而，靠) ，各组分别在密钥k = ( 毛，屯，k ) 的控制下变换成输出 数字序列y = ( 咒，肋，靠) 。流密码是指直接用密钥序列( 通常是0 和l 序列) j = ( 毛，) 对原始明文消息编码进行操作，获得密文序列【1 射 与传统的应用于文本和二进制数据的新型加密算法或加密方案相比，视频加密是 主要研究适合视频数据格式类型的。视频数据具有数据量大、冗余度高、实时性要求 高等特点，压缩后的视频数据要求具有数据位置索引、编码率可控等功能。视频数据 的这些特点决定了视频数据加密通常应该满足以下要求【。 ( 1 ) 安全性 安全性是数据加密的首要要求。对于视频加密，一般认为当破译密码所需付出的 代价大于直接购买视频所需的代价时，密码系统是安全的。因为视频数据也可以看作 普通的二进制数据，因此，传统的密码可以用在视频加密中。又因为视频数据具有数 据量大的特点，破译者难免对数据进行大量的解码操作，这将大大增加破译难度。因 此，在保证安全性的情况下，一些特殊的、快速的加密算法也可以使用。 ( 2 ) 压缩比 4 南京理工大学硕士学位论文基于m p e g4 的视频加密算法研究及其d s p 实现 一般要求加解密前后的数据量保持不变，这一特性称为压缩率不变性。使用具有 压缩率不变性的算法加密过的数据，在存储过程中不改变占用的空间，在传输过程中 保持传输速度不变。因此，理想的视频加密算法应该具有压缩率不变性。 ( 3 ) 实时性 由于视频数据实时传输和存取的要求。加解密算法的使用不能给传输和存取带来 过大的延迟。因此，要求加解密算法具有快速的特点，这样可以满足视频数据的实时 性要求。 ( 4 ) 数据格式不变性 这里定义的数据格式不变性是指加解密前后的视频数据的格式信息保持不变。这 有很多优点，保持数据格式不变，使得视频数据的时间定位成为可能，也可能支持视 频数据的增加、删除、剪切和粘贴等操作因此，如果对加密后数据有如上要求，则 视频加密算法也要求具有数据格式不变性。 ( 5 ) 数据可操作性 有些情况下，要求对加密后的数据直接操作，而不必进行先解密再加密的繁琐过 程。这些操作可能包括码率控制、图像块剪贴和增删等。称能够保持加密后数据的某 些可操作性的加密算法是具有数据可操作性的算法。 1 2 3 视频加密技术的研究现状 视频加密算法在上个世纪7 0 年代被提出，在9 0 年代后期开始被广泛研究。就其 发展过程来看，可以分为三个阶副1 3 。 第一个阶段，主要是研究置乱算法，即直接置乱图像或视频数据，以达到使数据 混乱而不能被理解的目的。这类算法共同的优点是计算复杂度低，能够满足实时性应 用的要求。但是，其安全性决定于每帧图像的大小，这种安全性的不足使得其很难用 于安全性要求高的应用场合；而且，这些置乱过程改变了像素间的统计关系，从而不 利于压缩处理，因此仅适合不需要压缩编码的应用中。 第二个阶段，随着多媒体技术的发展，多媒体压缩编码标准在9 0 年代初纷纷出 台，如j p e g 图像压缩标准、m p e g l 2 视频压缩标准等。通常使用的视频数据都先经 过压缩编码，再进行保存、传输等的操作。因此，以前的置乱加密算法已经不适合这 种应用要求了这时，开始研究的是采用新型算法对压缩过的视频数据进行加密，这 就是视频加密算法研究的第二个阶段。这类算法注重安全性，但是，由于要加密压缩 过的所有数据，计算复杂度高，对于数据量大的应用，不能满足实时性要求；另外， 加密后的数据格式被改变了，无法直接进行播放、剪切等操作。 第三个阶段，采用部分加密方法来加密视频数据，即选择加密视频码流中的一部 分数据。随着网络技术的飞速发展，视频数据的应用更加广泛和频繁，如基于多媒体 5 硕士论文 的视频会议、视频点播、可视电话等。这些应用对实时性要求很高，通常要求实时编 码传输，实时解码播放等。采用以前的直接加密算法完全加密，很难满足实际应用的 要求。选择加密少量数据可以降低计算复杂度，来满足实时性要求。这类算法降低了 加密的数据量，容易满足实时性应用要求；一般不改变数据格式，可以对加密过的数 据进行直接播放、剪切、粘贴等操作。因此，更适应实际应用需求，代价是降低了安 全性。 在过去的十年间出现了许多用于视频数据的加密算法。其中，所有的算法都能够 满足一定的安全性要求，有些算法针对视频数据的传输和显示处理的实时性，有些算 法保证压缩比不变，也有一些算法考虑了相容性和可操作性。文献【1 4 】根据加密算法 与压缩编码过程关系的不同，将现有算法分为如下几类分别讨论：第一类，将视频数 据看作普通数据直接加密的方法，不具有相容性，称其为直接加密算法；第二类，在 视频压缩编码过程中，选择加密一部分数据，此类算法具有相容性，称其为选择性加 密算法；第三类，将加密过程和压缩编码过程相结合的算法，即采用具有加密功能的 压缩算法，它们具有相容性、可操作性，称其为具有压缩功能的加密算法。 1 2 3 1 直接加密方法 这类方法使用传统的密码算法如d e s 、i d e a 、r s a 等，利用传统密码高强度的 优点，来满足高安全性要求，但是运算速度慢、难以满足实时性要求 3 7 1 。因此，这 种算法更适合用于视频数据存储等实时性要求不高或者安全性要求很高的应用中 ( 1 ) 对原始视频数据直接加密 这类加密算法没有考虑数据压缩，主要通过直接置乱和置乱加扩散等。在国内的 研究中，采用数学变换方法来置乱图像的像素位置如，文献 1 5 】和文献【1 6 】分别采 用了魔方变换和数学变换来置乱图像位置。也有采用随机数方法置乱数据位置的方 法。例如，k u h n 1 r l 提出一种用于付费电视的直接置乱加密算法。即将每一帧电视画 面进行行间置乱，并通过给每帧赋以不同的密钥来增加密码系统的安全性。如果仅仅 置乱的安全性不够，可以将置乱过程与扩散过程相结合来获得较高的计算安全性。例 如，基于混沌的块密码 1 8 , 1 9 , 2 0 将图像或视频数据先进行位置置乱，再进行像素扩散。 这类方法具有较高的密钥敏感性和明文敏感性，使得加密后的数据具有均匀随机分布 的特点，因此具有较高的安全性。但是这些算法因为改变了数据点间的统计特性，从 而会影响压缩效率，因此，更适用于不需要压缩编码的场合【1 4 1 。 ( 2 ) 对压缩后的数据进行加密 对压缩后的码流直接置乱方法加密。例如，对m p e g 视频流直接置乱的加密方 法。q i a o 等 2 1 1 指出，m p e g 视频流适合以字节为单位操作，这是因为：使用字节 方式更方便；在视频流中一个字节是没有实际意义的，因为视频编码是以多个字节 6 南京理工大学硕士学位论文 基于m p e g4 的视频加密算法研究及其d s p 实现 为单位的；字节级数据具有随机性，因为m p e g 压缩算法中使用的是变长h u f f m a n 编码。使用这种直接置乱方法，可以根据安全性要求选择不同的块长度置乱区域的 分块( n ) 越长，置乱的空间( n ! ) 越大，密码强度也就越高。这种置乱方法通常具 有较低的计算复杂度，但其安全性也比较低【1 3 1 。 为此，有人提出了一些改进算法，即改进传统密码或构造混沌密码。q i a o 和 n a h r s t c d t 提出一种称作v e a ( v i d e oe n c r y p t i o n a l g o r i t h m ) 阱l 的视频加密方法，是将 明文块分成o d d = q 码a t ”和e v e n = a 2 a 4 o l 两半部分，将奇数部分o d d 用d e s 算法加密得到密文的一半e ( o d d ) ，同时另一半为明文块偶数部分e v e n 和奇数部分 o d d 按位异或的结果，即c = o d d o e v e n = q 岛气。这样，加密后的密文为这两半 的拼接，即c e ( o d d ) 。这种算法将加密复杂度降为接近原来的一半，同时保持了较 高的安全性t o s u n 和f e n g 田】将此方法作了进一步扩展，将奇数部分o d d 再分半， 这样加密复杂度降为原来的四分之一，所以很适合要求计算复杂度低、实时性高的应 用。a g i 和g o n g 2 3 提出一种算法，是将m p e g 视频流与d e s 算法通过自反馈方式产 生的密钥流作按位异或运算，输出结果即为加密后的视频流。作者通过有选择地控制 加密不同部分来实现不同的安全性要求，同时也有不同的加密速度。例如：只加密i 帧，只加密所有的i 块，加密所有的i 块和p 帧等。这三种方式加密的安全性逐渐增 加，但同时其加密时间也逐渐增多。r o m e o 等提出一种称作r p k 阱1 的视频加密方法， 作者将其与d e s 和r s a 等私钥算法和公钥算法作了比较，突出了其实时性的特点。 w 和a p o s t o l o p o u l o s p 丛 2 6 】提出一种适用于流格式视频数据的分层加密方法。即使用 传统的流密码加密视频数据的不同数据层在国内，易开祥等卿以混沌流密码为基 础构造了图像加密方法，吴敏等瞄2 9 】以混沌为基础构造了用于图像加密的块密码，樊 雷等 3 0 l 将混沌l o g i c 映射和混沌c a t 映射相结合，构造加密音频数据的方法。 采用传统的高安全性的算法或混沌密码虽然计算复杂性高，通过部分加密的改 进，也可能实现较高的计算效率。而且，因为多数传统的标准加密算法都能保持加解 密数据的尺寸不变，所以用于多媒体加密时，能够保持码流长度不变但其将多媒体 数据流看作普通数据流加密的过程改变了加密后的数据格式，不具有格式相容性，数 据格式的改变增加了多媒体数据操作的难度，如使得画面裁减、定位变得困难。 1 2 3 2 选择性加密方法 要保持加密后数据流的相容性。就要保持加密后数据格式信息和控制信息不变， 而只加密实际数据，这类方法都属于选择性加密方法。这类算法与视频数据的格式相 结合，并且可以根据安全性水平要求的不同，选择加密不同的数据，从而可以满足不 同的需要。这类加密方法一般速度很快，能够满足实时性要求。如在基于小波变换的 图像或视频编码中加密小波系数树结构的加密方法p l 】，在m p 3 音频码流中加密一部 7 硕士论文 分参数的加密方法 3 2 , 3 3 1 等。因为视频数据通常比图像和音频具有更多的数据量，对视 频的选择性加密算法得到了更广泛的研究根据所加密的数据的不同，可以将视频加 密算法分为如下几类讨论：选择加密不同帧和块，d c t 系数置乱，加密d c t 系数的 符号和运动向量的符号，频率域数据置乱和符号加密相结合，加密数据格式信息等。 ( 1 ) 选择加密不同帧和块 最基本的选择性加密方法是基于m p e g 的i ，p b 帧结构的，即仅加密其中的i 帧， 因为从理论上讲，如果不知道相应的i 帧。仅有p 帧和b 帧是没有用的。但是实验表 明【蚓，由于帧间的相关性和p 帧、b 帧中有未加密的i 块，所以仅仅加密i 帧不能达 到足够高的安全性。t a n g 3 5 】提出一种改进方法，此算法产生一种新的m p e g 流，称 作s e c m p e g ，它将选择性加密和附加头信息结合到一起，可以使用两种传统的加密 方法d e s 和r s a 实现四个级别的安全性：加密所有格式头信息；加密所有的格 式头信息和d c t 的d c 系数和较低层的a c 系数；加密i 帧和p 帧、b 帧中所有的 i 块；加密所有数据。可见，这四个级别的安全性是由低到高递增的，但是s e c m p e g 并不能与标准m p e g 相容。加密格式头信息会改变数据格式，使得加密后的数据流 不具有数据相容性和可操作性；加密所有的数据，等同于直接加密方法，同样改变数 据格式，降低加密速度。 ( 2 ) d c t 系数置乱 t a n g 3 s 提出对d c t 系数置乱的方法。m p e g 编码过程中使用二维d c t 变换将 数据从空间域交换到频率域，减小了数据的相关性，以实现压缩目的。作者提出置乱 变换后的d c t 系数的方法，以实现加密的目的，建议了以下几种方法：保持直流 系数( 第一个系数) 位置不变，其它系数间景乱；置乱所有的系数；将直流系数 拆开，然后置乱所有的系数；将许多块的直流系数一起加密，然后将直流系数拆开， 并置乱所有的系数。这几种方法获得的安全性逐渐增加。但是能量的集中性并不等价 于信息可理解性的集中性，因此，仅加密直流系数，并不能保证密文的不可理解性； 而将6 4 个d c t 系数完全置乱，就违背了：艺”形扫描的能量大小排列顺序，因此这会 使得熵编码后的压缩比降低。t o s u m 等p 6 】对其作了改进，将6 4 个d c t 系数按照频带 划分为3 段，可以根据安全性和压缩比要求的不同，对不同的段置乱加密。因此，从 安全性角度讲，每一段对应一种安全层或安全级：基础层、中间层和增强层。作者建 议的分层方法为( 4 ，1 9 ) ，即第一层为1 - 4 点，第二层为5 - 1 8 点，第三层为1 9 “ 点。可见，在每一层内置乱，相对于“点完全置乱，能够获得较高的压缩比。但是， 这同时使得密钥空间减小了，安全性也就降低了。 此类算法的复杂度低，运行速度快。同时，在压缩过程中置乱d c t 系数，不会 改变编码后的数据格式，保持了数据相容性和可操作性。但是，因为m p e g 视频编 码方法中用到的d c t 交换后有量化操作和熵编码，所以置乱d c t 系数的加密算法会 8 南京理工大学硕士学位论文基于m p e g4 的视频加密算法研究及其d s p 实现 改变视频数据的压缩比。通过分析和实验表明，采用随机置乱方式代替之”字型扫描， 不但大大降低了压缩比，而且使得密码系统不能抵抗已知明文攻击。因此，不能够单 独使用此类算法来加密【1 4 1 。 ( 3 ) 加密d c t 系数的符号和运动向量的符号 ， s k i 和b h a r g a v a t 3 提出一种加密d c t 系数符号的方法。这是将符号( “o ”表示正 数，“l ”表示负数) 拼成比特流或数据段，然后使用随机产生的密钥流与其作按位的 异或运算，将加密后的符号相应地赋回原数据中。随后他们又提出一种加密d c t 系 数的符号和运动向量的符号的方法口射。这是将符号( “o ”表示正数，“l ”表示负数) 拼 成比特流或数据段，然后使用私钥密码加密，将加密后的符号相应地赋回原数据。作 者建议用d e s 或i d e a 算法加密符号，这两种算法要求明文为“位，所以每次要获 取6 4 个符号这6 4 个符号的选择方法为：对于i 帧，从亮度和色度块 瓴，五，巧，k ，g ，c ) 中选出“个系数的符号进行加密；对于p 帧，从前向补偿向量 旺，工) 中选择两个符号，从亮度和色度块( x ，e ，墨，e ，g ，c ) 中选出6 2 个系数的符号， 进行加密；对于b 帧，从前向补偿向量旺，工) 和后向补偿向量咆，6 ，) 中分别选择 两个符号，从亮度和色度块何，五，j ；，五，g ，e ) 中选出6 0 个系数的符号，进行加密。 y e n 和g u o 3 9 1 提出使用混沌映射产生的随机序列来加密m p e g 视频流中运动向量的 方法。作者突出了此种方法具有快速性、不改变原始数据格式的特点。但它的安全性 没有得到证明。 这类算法仅仅加密d c t 系数符号或运动向量的符号，大大降低了运算复杂度， 能够满足实时性要求。并且，采用传统的高强度密码d e s 、r s a 等，可以保证较高 的安全性，同时保持了数据的相容性和可操作性【1 4 l 。 ( 4 ) 频率域数据置乱和符号加密相结合 z e n g 和l c i 即疆出对多媒体的频率域数据选择性置乱和加密的一般性方法。对于 基于小波变换的视频编码系统，可以采用如下几种方式：对每个变换系数的符号加 密；块间置乱，这里的分块是按照小波变换的不同频段来划分；块的旋转，有8 种旋转方式；每个频段块内进行行置乱。对于基于d c t 变换的视频编码系统，可 以采用如下几种方式：加密变换系数的符号；沿着片段进行块问置乱；块内置 乱；加密运动补偿向量的符号作者通过使用以上多种加密方式的组合对多个常用 视频流加密实验得出：对于基于d c t 变换的视频编码系统，使用i 帧( 符号加密和 块间置乱) + p 帧( d c t 符号和运动补偿向量的符号加密) ”这种方式的加密安全性 最高。 这类选择性加密算法将置乱和加密相结合，根据s h a n n o n t i l 的安全密码原理，它 们具有一定的安全性，同时，它们保持了数据的相容性和可操作性。但是，由于置乱 过程改变了系数的分布特征，这使得以统计为基础的熵编码会带来数据压缩比的改 9 硕士论文 变。 ( 5 ) 加密数据格式信息 在这类算法中，只加密m p e g 视频流的格式信息，如图像序列头信息、片段的 头信息和宏块的头信息等，以达到使得非授权者不可同步的目的。但是，这种加密方 法因为保持原视频实际数据不变，而格式信息又具有统计特性，所以不能保证足够的 安全性。 选择性加密方法都具有较快的加解密速度。如只加密i 帧可以节省3 0 - 5 0 加解 密时间。如果加密所有的i 块，会导致加解密时间增加，这是因为：识别p 帧、b 帧 中的i 块需要在视频流中遍历搜索；有些视频流中p 帧、b 帧中的i 块数日与i 帧中 的i 块数目相当。如果采用置乱、旋转等算法，它们的速度很快，几乎与m p e g 编 解码的速度相当。 有些选择性加密方法会增加加密后的数据量。对部分帧和宏块的部分加密算法， 因为采用的传统密码能够保持加解密数据长度不变，所以不会改变加密后数据量的大 小；对频率域系数( 如d c t 系数、小波变换系数等) 的符号和运动向量的符号的加 密，也因为h u f f m a n 编码表中预留有一个符号位而不会改变加密后数据量的大小；对 频率域的系数加密和置乱，包括系数加密、块内置乱、块间置乱和块旋转等，都会因 为改变变换后的系数能量分布而增加行程编码和h u f f m a n 等熵编码的编码码流长度。 如在块内置乱“个d c t 系数，因为改变了“之”字形扫描顺序，使得编码后数据量增 加4 6 4 2 1 ，考虑到视频数据的大数据量特点，这种尺寸的增加是不能够接受的。通 过将系数按频带划分为多个块，在每一块内置乱，可以使得数据增加量大大降低。 1 2 3 3 具有压缩功能的加密算法 这类算法通常是将编码过程和加密过程相结合，使得二者同时进行。s r i d h a r a n 等 4 3 1 将加密过程与f f t 变换过程相结合，即通过控制变换参数来实现安全的数据变 换过程。u e h a r a t 删提出将编码和加密相结合，并以小波变换编码中系数置乱为例，介 绍了这种方法的可行性。w e n 等 4 5 1 提出了使用定长编码f l c 和变长编码v l c 同时进 行加密的方法。即直接置乱编码表，或者通过加密码字的序号来加密码流。作者指出 这种编码和加密相结合的方法可以保持数据格式的相容性和可操作性。t o s u a 和 f e n g 脚】给出使用前向纠错编码实现加密的方法。这种方法使得纠错过程可以在不解 密的情况下完成，这样可以节省更多时间w u 和k l l o 【4 7 柏l 指出选择性加密不能保持 压缩比不变，并提出了采用多种h u f f m a n 树( m h t ) 的加密方法。作者指出，在使 用熵编码的视频编码格式中，可以采用多种熵编码的统计模型，通过密钥控制模型的 选择来实现视频编码过程中的加密。 例如，m p e g 格式中使用了h u f f m a n 编码，标准格式中使用的是通过统计测试 1 0 南京理工大学硕士学位论文基于m p e o4 的视频加密算法研究及其d s p 实现 获得的标准的h u f f i - n a n 编码表。为了实现加密，可以选择其它不同的n 个h t f l t a n a n 编码表作为基本的编码表，当然每个编码表与标准码表相比，不能造成太大的降质。 对于一棵h u f f m a n 树，它的每个节点的两个子节点都可以置为0 节点或“l ”节点，这 样，每个基本码表( h u f f m a n 树) 能够有2 一( 令m 为树的叶子节点的个数，则树的。 内部节点的个数为m - 1 ) 种变异树。这样总共有2 ( _ - 1 x n + 1 ) 种h u f f m a n 树可供选择。编 码过程中可以通过密钥控制采用某一种h u f f m a n 树，从而实现了加密。对于只知密文 攻击者，攻击的搜索空间就是h u f f m a n 树的个数；但这对于已知明文攻击，此方法是 不安全的。因此，作者提出了增加加密强度和系统安全性的方法：在加密后的比特 流中随机插入比特位，以破坏己知明文攻击时的同步，但这样会增加密文长度，降低 压缩比；编码和加密过程中，将明文分段，每段采用不同的密钥，也就是熵编码时 每部分采用不同的h u f f m a n 树，这就增加了破译的难度，提高了密码强度。 对于另外一种熵编码方法自适应的算术编码q m ，作者也提出了编码与加密相结 合的方法，称作多状态索引( m s i ) 方法在q m 编码过程中，二进制符号的统计概 率是随着待编码的符号增加而动态改变的，并且最终通过查表方式获得。在算术编码 中，每个状态都对应一个分段。m s i 方法通过随机选择多个状态的分段索引来实现加 密。 m h t 算法和m s i 算法能够很好的满足实时性要求。在m h t 算法中，为了实现 加密而多做的工作就是由密钥控制的h u t y m a n 编码树的选择，这相对于其它编码操 作，需用的时间是很少的在m s i 算法中，在常用的自适应算术编码q m 过程中增 加了多种状态索引的随机选择操作，这也只需要很短的时间。因此，与以上的利用传 统密码完全加密、部分加密和选择性加密这两种算法相比，将压缩和加密相结合的算 法加密用的时间最少，速度也是最快的。m h t 算法会少量增加加密后密文长度。相 对于视频流的巨大的数据量，m h t 算法中的基本h u f f m a n 编码树额外占用的存储量 是很小的；而且通过合适选择基本h u f f m a n 编码树，熵编码过程增加的数据量也很少。 m s i 算法动态改变编码表，在密文中不需要额外存储空间，对压缩比的改变量很小。 文献 4 9 1 对m h t 算法作了一定的改进，用置乱的h u f f m a n 表来编码，随后循环、 轮换异或已编码的比特流。作者称可以抵御明文攻击和密文攻击。h u f f m a n 树变化， 字节旋转使密码分析人员无法通过密文来同步明文；比特异或，计算简单快速，增强 了整个体系的安全性。将密码分为三段，第一段用来产生多h u f f m a n 表；第二段作为 一个种子来产生一个任意的长度为n 的向量，向量中的每个值为长度为3 b i t ，o 7 的 值，根据这些值，决定一个字节做怎样的循环；第三段作为一个种子来产生一个长度 为m 的随机模式，用来与二进制码流作异或运算。 这类具有压缩功能的加密方法，能够保持数据格式的相容性和数据的可操作性。 但是，但是这类算法通常改变压缩比，其安全性需要通过改进措施来增强。 硕士论文 1 3 本论文所做的工作及贡献 本文以m p e g 4 视频加密算法为研究重点，主要成果如下： ( 1 ) 介绍了视频加密算法的研究现状，总结了视频加密的研究内容和性能指标， 对已提出的算法进行了分类，对加密性能进行分析。 ( 2 ) 对基于m p e g 4 标准的x v i d 视频编解码源代码按s i m p l ep r o f i l e 实现了代 码的简化。 ( 3 ) 设计实现了m p e g 常规视频加密算法中代表性的基于d c t 符号的选择性 加密算法和具有压缩编码功能的熵编码码表置乱加密算法。 ( 4 ) 结合d m 6 4 2 嵌入式系统的硬件特性，调整和优化基于p c 的编码器、解码 器软件，实现了基于d m “2 的m p e g 4 s p 编解码器。 全文章节安排如下： 第一章简述视频加密的研究背景、研究内容、性能要求、视频加密技术研究的发 展和现状。 第二章简要讲述了m p e g 标准的