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博士学位论文 多媒体快速加密算法研究 摘要 随着多媒体技术和网络技术的发展，多媒体加密算法在保护多媒体数据方面获得 越来越多的重视。尤其对于关系到军事、商业和政治等敏感信息的多媒体数据，采用 加密算法进行保护，成为一种广泛需求。本文在综述现有算法的基础上，对多媒体快 速加密算法进行了深入研究，主要研究成果如下： ( 1 ) 提出对f r i d r i c h 混沌密码的密码分析方法，分别从密钥空间、混沌参数敏 感性、已知明文攻击、选择明文攻击等几个方面分析此密码系统的安全性，并给出密 码安全性与计算复杂度之间的矛盾关系，最后给出提高系统安全性的方法。根据对 f r i d r i c h 混沌密码的分析，给出一种基于s t a n d a r d 映射的块密码，其具有明文大小可 变、计算复杂度相对较低等特点，适合多媒体数据的加密。 ( 2 ) 提出一种选择性加密方法的多媒体加密模型，给出安全的加密策略，对此 进行了理论证明，并且给出了基于分形图像编码、基于j p e g 2 0 0 0 编码和基于m p e g 2 编码的选择性加密方法。这些算法通常具有计算复杂度低的特点，可以保证较高的安 全性，而且保持数据格式不变，支持对密文数据的直接操作。 ( 3 ) 提出与压缩编码相结合的多媒体加密模型，指出压缩比与安全性之间的关 系，并给出与麟、5 p e g 2 0 0 0 和m p e g 2 相结合的加密算法。这类算法将加密过程 与压缩编码过程相结合，同时实现压缩和加密；加密操作的计算复杂度低，实时性高； 保持数据格式不变，支持对密文数据的直接操作，如浏览、剪切、编码率控制和多重 压缩等。这类算法适合实时性和数据可操作性要求高、安全性要求低的应用。 ( 4 ) 对已有的可感知加密方法进行改进，使得改进后的算法支持直接进行编码 率控制操作。在压缩编码过程中，通过加密质量因子控制对多媒体敏感参数的加密强 度，从而实现对密文质量的控制。以j p e g 、j p e g 2 0 0 0 和m p e g 2 为例，给啦可感知 加密算法，并对其性能作了分析帮测试。 ( 5 ) 提出一种将压缩编码过程、加密过程、认证过程和容错编码过程相结合的 安全多媒体传输方案。在信源编码中，先对敏感数据进行签名，再对其进行选择性加 密；在信道编码中，将加密过程与容错编码过程相结合，实现快速编码和加密。解码 过程与编码过程对称。此方案能够实现图像加密功能、篡改检测功能和传输错误检测 功能，适合于网络传输。文中以j p e g 2 0 0 0 编码为例，分析测试了方案的可行性。 最后，论文分析了当前多媒体加密算法中存在的问题，指出了迸一步研究的方向。 关键词i混沌，混沌加密，图像加密，视频加密，多媒体 博士学位论文 多媒体快速加密算法研究 a b s t r a c t w l t ht h ed e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i at e c h n o l o g ya n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , m u l t i m e d i a d a t aa l eu s e dm o r ea n dm o r ew i d e l y i no r d e rt op m t e c tm u l t i m e d i ad a t a ，s o m e 电n c r y p t i o n a l g o r i t h m sh a v e b e e ns t u d i e d i nt h i sp a p e r , t h ef a s tm u l t i m e d i ae n c r y p t i o na l g o r i t h m sa r e s t u d i e d ，a n dt h e i rp e r f o r m a n c e sa r ea n a l y z e da n dt e s t e d s o m eo ft h ec o n c l u s i o n sa r el i s t e d a sf 0 n o w s f i r s t ，t h es e c u r i t yo ff r i d r i c h sc h a o t i cc i p h e ri sa n a l y z e dt h o r o u g h l ya c c o r d i n gt o b r u t v f o r c es p a c e , p a r a m e t e rs e n s i t i v i t y , k n o w n - p l a i n t e x ta t t a c ka n ds e l e c t - p l a i n t e x ta t t a c k ， a d d i t i o n a l l y , t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es e c u r i t ya n dc o m p u t i n gc o m p l e x i t yi ss t u d i e d ， a n ds o m em e a n sa l ep r e s e n t e dt os t r e n g t h e nt h ec r y p m s y s t e m b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i s ， ab l o c kc i p h e rb a s e do ns t a n d a r dm a pi sp r e s e n t e d ，w h i c hs u p p o r t sp l a i n t e x t sw i t hv a r i o u s l e n g t h s ，h a sl o wc o s la n di st h u ss u i t a b l ef o rm u l t i m e d i ae n c r y p t i o n s e c o n d l y , as e l e c t i v ee n c r y p t i o nm o d e li sp r o p o s e d ，t o g e t h e rw i t hs o m ee n c t y p t i o n p r i n c i p l e s a n dt l e i rv e r i f i c a t i o n a s e x a m p l e s t h es e l e c t i v ee ! a c r y p t i o na l g o r i t h m s c o m b i n e dw i t hf r a c t a li m a g ec o d i n g 皿l 蛤2 0 0 0a n dm p e g 2a r ep r e s e n t e d s o m e p r o p e r t i e sa l eo b t a i n e d ，s u c ha sl o wc o s t ，h i g hs e c u r i t y , k e e p i n gf i l ef o r m a tu n c h a n g e da n d s u p p o r t i n gd i r e c to p e r a t i o n s ( b r o w s i n g ，c u t t i n g ，e t c ) t h i r d l y , a ne n e r y p t i o nm o d e lc o m b i n 酣w i t hc o m p r e s s i o np r o c e s si sp r o p o s e d ，w h o s e p e r f o r m a n c e sa r ea n a l y z e d a se x a m p l e s t h ee n c t y p t i o na l g o r i t h m sa r ep r e s e n t e d , w h i c h c o m b i n ew i t hj p e g im p e g 2a n dj p e g 2 0 0 0 1 1 1 e yo f t e nr e a l i z ec o m p r e s s i o na n d e n c r y p t i o na tt h es a m et i m e ，k e e pl o wc o s t ，a n ds u p p o r ts u c hd i r e c to p e r a t i o n sa sb r o w s i n g ， c u t t i n g ，b i t - r a t ec o n t r o lo rr e c o m p r e s s i o n t h e s ep r o p e r t i e sm a k et h e ms u i t a b l ef o rs o m e a p p l i c a t i o n sw i t hl o ws e c u r i t y , r e a l t i m eo p e r a t i o na n dd k e c to p e r a t i o nr e q u i r e m e n t s f o u r t h l y , a ni m p r o v e dp e r c e p t u a lc r y p t o g r a p h yi sp r e s e n t e d ，w h i c hs u p p o r t sd i r e c t b i t - r a t ec o n t r 0 1 d u r i n gc o m p r e s s i o np r o c e s s ，t h ec i p h e r t e x t 8q u a l i t yi sc o n t r o l l e db yt h e e n c r y p t i o nq u a l i t y f a c t o r c o m b i n e dw i t hj p e gm p e g 2a n dj p e g 2 0 0 0 ，s e v e r a l p e r c e p t u a le n c r y p t i o na l g o r i t h m sa l ec o n s t r u c t e da n da n a l y z e d t h e s ea l g o r i t h m sa r e s u i t a b l ef o rs u c ha p p l i c a t i o n s 鹕v i d e o - o n - d e m a n d a u d i o - 0 n d e m a n da n ds oo n f i f t h l y , as e c u mm u l t i m e d i at r a n s m i s s i o ns c h e m e i s p r o p o s e d ，w h i c hc o m b i n e s c o m p r e s s i o n ，e n e r y p t i o n ，a u t h e n t i c a t i o na n d e r r o r - c o r r e c t i o nc o d i n g t h es e n s i t i v ed a t aa l e i i l a b s t r a c t 博士学位论文 f i r s t l yp r o t e c t e db yd i g i t a ls i g n a t u r e , a n dt h e ne n c r y p t e dw i t has e l e c t i v ee n c r y p t i o n a l g o r i t h m a ne n c r y p t i o na l g o r i t h mi sc o m b i n e dw i t ht h ee r r o r - c o r r e c t i o nc o d i n gi no r d e r t oo b t a i nh i g h s p e e d b a s e do nj p e g 2 0 0 0 ，as e c u r ei m a g et r a n s m i s s i o ns c h e m ei s c o n s t r u c t e d t h i ss c h e m ec a nb o t he n c r y p ti m a g e sa n dd e t e c tm a l i c i o u st e m p e r i n go r t r a n s m i s s i o ne r r o r s ，w h i c hm a k ei ts u i t a b l ef o rs e c u r en e t w o r kt r a n s m i s s i o n h n a l l y , s o m eo p e ni s s u e si nm u l t i m e d i ae n c r y p t i o na sw e l la st h ef u t u r ew o r ka r e p r e s e n t e d k e y w o r d sc h a o s ，c h a o s - b a s e dc i p h e r , i m a g ee n c r y p t i o n ，v i d e oe n c r y p t i o n ，m u l t i m e d i a 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表 或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历 而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己 在论文中作了明确的说明。 研究生签名：年月曰 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年月日 博士学位论文 多媒体快速加密算法研究 1 绪论 1 1 多媒体加密技术的研究背景 2 0 世纪9 0 年代中期，随着各种多媒体技术的产生和发展，多媒体数据( 包括图 像、视频和音频等) 的应用越来越广泛，包括了政治、经济、军事、教育等各行各业。 尤其在政治、经济、军事等敏感场合，对保密性和安全性的要求激励了对多媒体数据 加密算法的研究。例如，分布式多媒体在视频点播系统、视频广播系统、视频会议系 统和监视系统等方面的应用提出了对视频信息保密研究的要求。早期的保密方法主要 依赖于权限控制，即，视频点播系统仅仅通过用户名和密钥来实现浏览和下载等权限 的控制。注意到，在此过程中，多媒体数据本身没有被加密，这可能在传输过程中被 窃取。可见，仅仅通过权限控制不能够保证实际多媒体数据的安全。针对这种情况， 很有必要研究多媒体数据的加密算法。 传统的数据加密算法【l ，2 1 大都针对文本数据或二进制数据，通常具有较高的计算 复杂度。由于多媒体数据【3 棚具有编码结构特殊、数据量大、实时性要求高等特点， 传统的数据加密算法直接应用予多媒体数据，很难满足实时性要求，而且会改变数据 格式等，这就要求对多媒体数据要采用特殊的加密算法。例如，对于m p e g 视频数 据，加密算法要求具有较高的效率，以使得其可以集成在视频传输过程中，既能保持 较高的安全性，又具有实时处理能力。 1 2 多媒体加密技术的概念 1 2 1 多媒体加密技术的研究内容 多媒体加密技术是利用密码学方法来保护多媒体数据安全的技术。多媒体加密主 要研究适合多媒体数据的新型加密算法或加密方案。其中，新型的加密算法主要是指 不同于传统的应用于文本和二进制数据的加密算法，如基于混沌的加密算法【5 蜘、基 于数学变换的加密算法 7 , 8 1 等。多媒体加密方案主要指使用传统的或新型的加密算法， 采用合适的加密方式来加密多媒体数据，如完全加密所有数据或仅仅加密一部分数据 等。 l 绪论 博士学位论文 1 2 2 多媒体加密算法的性能要求 多媒体数据具有数据量大、冗余度高、实时性要求高等特点，压缩后的多媒体数 据要求具有时间位置索引功能、编码率可控等。多媒体数据的这些特点决定了多媒体 数据加密通常应该满足以下要求。 安全性 安全性是数据加密的基本要求。对于多媒体加密，一般认为 9 1 当破译密码所需付 出的代价大于宣接购买多媒体数据版权所需的代价时，密码系统是安全的。因为多媒 体数据可以看作普通的二进制数据，因此，仅仅从安全角度考虑，传统的密码可以用 在多媒体加密中。注意到，多媒体数据的保护是内容的保护，仅仅破译一部分数据可 能对内容的理解没有帮助；多媒体数据具有数据量大的特点，破译者难免对数据进行 大量的编解码操作，这将太映增加破译难度。因此，在保证安全性的情况下，一些新 型的、快速的加密算法值得研究。 压缩比不变性 一般要求加解密前后的数据景保持不变，这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数据占用的空间，在传输过 程中保持传输速度不变。因此，理想的多媒体加密算法应该具有压缩率不变性。 实时性 由于多媒体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性的特点，这样可以满足多媒体数据 的实时性要求。 数据格式不变性 这里定义的数据格式不变性是指，加解密前后的多媒体数据的格式信息保持不 变，即具有数据格式相容性。保持数据格式不变，使得多媒体数据的时闻定位成为可 能：数据格式的同步信息可以保证在传输错误情况下的同步；也可能支持多媒体数据 的增加、删除、剪切和粘贴等操作。因此，为了保持密文数据的格式相容性，则要求 多媒体加密算法具有数据格式不变性。 数据可操作性 在某些情况下，要求对加密后的数据进行直接操作，而不必先解密再加密的繁琐 过程。这些操作可能包括多重压缩、编码率控制、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。 2 博士学位论文 多媒体快速加密算法研究 1 2 3 多媒体加密的基础理论与技术 多媒体加密技术是利用密码学理论来保护多媒体数据的技术。因此，其基础分别 是密码学理论和多媒体技术，是这二者的有机结合。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；多媒体技术给出多媒体数据的数据处理、编码、存 储和传输等方法。由于篇幅所限，此处仅将常用的密码学和多媒体知识引述如下，具 体内容见相关文献。 1 2 3 1 密码学 多媒体加密算法的研究主要用到密码设计和密码分析的相关知识。其中，密码设 计主要包括了传统密码和混沌密码。传统密码 1 , 2 1 是以数论为基础的密码设计方法， 通常以破解难度作为安全性指标，如r s a t i n l 算法是以大素数分解困难为基础的，椭 圆曲线密码【l ”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 1 2 - 1 4 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【5 同是以混沌的初值敏感性、混乱 性、各态遍历性和类随机性等特性为基础的密码设计方法。例如，可以利用混沌的初 值敏感性，以初始值为密钥设计密码【1 5 】；可以利用混沌序列类随机性的特点，构造伪 随机序列来加密明文序列【1 6 】；也可以利用混沌的各态遍历性来设计密码m 】等。 对于密码算法，有多种分类方法。根据加解密密钥是否相同，可以分为对称密码 和非对称密码。其中，对称密码的加解密过程对称，且密钥相同，如d e s 和i d e a 等；非对称密码的加解密过程不对称，密钥不相同，如r s a 和椭圆曲线密码等。根 据对明文加密时的加密数据单元的不同，可以分为块密码和流密码。其中，块密码以 数据块为单位加密明文数据，数据块内的各个比特位是相关的，如d e s 以6 4 比特为 单位加密：流密码以比特为单位加密明文数据，各个比特位之间可能是不相关的，如 采用m 序列n 田加密明文序列，用混沌二进制序列h 9 1 加密明文比特流等。根据加密方 式的不同，可以分为直接加密方式和密文反馈方式等【1 2 1 。其中，在直接加密方式中， 当前的密文只与当前的明文相关，而与其它明文或密文无关；在密文反馈方式中，当 前的密文同时与当前的明文和之前密文相关。 密码分析f i 捌是密码设计的逆过程，即破解设计的密码算法的过程。密码的安全 性决定于密钥刚，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量的不同，可以分为唯密文攻击、已知明文攻击和选择明文 攻击等。其中，唯密文攻击是指攻击者在密文已知情况下的攻击方法，即通过密文破 1 绪论 博士学位论文 译明文和密钥：已知明文攻击是在密文和明文都已知情况下的攻击方法，即通过密文 明文对破译密钥；选择明文攻击是在多对密文和明文已知情况下的攻击方法，即通 过多个密文一明文对破译密钥。可见，随着获得信息量的增加，这几种方法的攻击难 度逐渐降低。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。其中，穷举攻击是采用尝试密钥的方法来破解密码系统；统计攻击是通过 分析密文、明文、密钥以及其关系的统计特性来破译系统；差分攻击是用差分方法分 析密文、明文和密钥关系的破译方法；线性分析是通过分析密文和明文的统计频率来 获得线性迭代关系，从而降低穷举攻击的攻击难度的方法。当然，对于某个密码系统。 可能存在特殊的攻击方法，这需要做针对性地研究。 1 2 3 2 多媒体编码 多媒体数据通常具有较高的数据冗余度，如图像、视频、音频等，通常要先进行 压缩编码再进行储存和传输。到目前为止，已经有多种多媒体编码算法。根据编码过 程所采用的数据变换的不同，可以分为分形编码方法、d c t 编码方法和小波交换编 码方法等。其中，分形编码1 2 1 , 2 2 1 以分形理论为基础，通过存储反映自相关性的变换参 数实现图像压缩。这些分形参数包括域块位置、比例因子、灰度差值、块旋转方向和 四叉树分块结构等。d c t 编码方法利用d c t 变换将能量集中于低频部分，以降低冗 余度，再结合量化过程、行程编码和熵编码等进一步提高压缩效率。常用的基于d c t 的编码方法有j p e g 图像翻、m p e g i 2 4 视频1 2 + - 2 6 j 、h 2 6 3 4 视频球7 勰等。与其类似， 基于f f r 的编码方法有m p 3 音频例等。小波变换编码方法利用小波变换将能量集中 于较低的频段，利用小波系数间的关系，结合量化、熵编码等实现数据压缩。常用的 有e z w 图像编码1 3 0 、s p i h t 图像和视频编码m 3 2 1 、j p e g 2 0 0 0 图像和视频编码1 3 3 蚓 等。 、 根据编码方式的不同，多媒体编码可以分为基于数据块的编码方法、分层累迸的 编码方法和基于目标的编码方法等。基于数据块的编码方法，将多媒体数据分割成固 定的数据块，并以其为单位进行编码。这类编码方法是最常用的，如分形编码、j p e g 图像编码、m p e g l 2 视频编码、m p 3 音频编码等。分层编码过程中，图像或视频数 据被分解成不同的数据层，一般低层代表重要数据，恢复后得到图像或视频画面的粗 略近似；高层是增强层，可以加强图像或视频画面的细节。如在e z w 、s p i h t 或 j p e g 2 0 0 0 编码方法中，分层编码采用的是基于位平面的方法，字节的高位对应编码 的低层，字节的低位对应编码的高层。在分层的m p e g 2 和h 2 6 3 编码中，码流分为 基本层和增强层，基本层对应视频序列的近似数据，增强层增加视频画面的细节效果。 基于目标的编码方法，将图像、视频数据分割为多个目标( 物体) 和背景，对各个目 标和背景分别编码。此类编码方法能够提高压缩率。尤其是用于视频编码中，通过运 4 博士学位论文 多媒体快速加密算法研究 动补偿，可以降低帧间的冗余度；而且，采用基于目标的编码方法为基于目标的图像 检索、图像分割和视频分类等操作和应用提供了基础。基于目标的编码方法现在依然 是研究的热点，j p e g 2 0 0 0 采用块堆积的编码方式，这可以看作是一种基于目标的编 码方式，即，先将图像分割为8 8 的图像块，再将相关联的块组合到一起统一编码。 还有现在正流行的m p e g 4 编码方法，它给出基于人脸等目标编码的构架。以及基于 目标的三维变换编码( 3 d 、d c t , 3 d w a v e l e t ) 【3 5 ，3 6 1 等，这些变换根据目标内容实现自 适应，以提高编码质量。 1 3 多媒体加密技术的应用领域 多媒体数据安全存储 多媒体加密算法可以用于对多媒体数据的安全保存，如医学图像库、电话录音、 视频监控数据等。随着计算机技术和多媒体技术的发展，多媒体技术的应用越发普及。 对于敏感的多媒体数据，通常要求进行保护处理，以防止未授权用户的访问。例如， 对于多媒体数据库，其中的多媒体文件可以先通过多媒体加密算法加密，然后再进行 保存。用于安全存储的多媒体加密算法，通常要求具有较高的安全性。 多媒体数据安全传输 随着网络技术的发展，多媒体数据在网络中的传输更加频繁，如视频会议系统， 多媒体网络，无线多媒体等。为了保护多媒体数据在传输过程中的安全性，可以采用 多媒体加密算法进行保护。这样，没有正确的解密密钥，窃取者只能获得密文数据。 用于数据安全传输的多媒体加密算法通常要求具有较低的计算复杂度，以满足网络传 输的实时性要求。 多媒体数据版权保护 对于要求进行版权保护的多媒体数据，可以通过多媒体加密算法来实现版权控 制。例如，数字音乐、数字电影、多波段频谱图像等。只有购买了版权，用户才可以 正确解码这些数据；否则，所能听到或看到的都是混乱而不可理解的数据。这类多媒 体加密算法的特点与其应用环境有关，例如，对于网络传播的数据，要求加密算法具 有快速性特点；对于硬介质存储的数据，可以降低对计算复杂度的要求，而提高对安 全性的要求。 多媒体娱乐中的权限控制 在视频点播、音频点播、在线会议等应用中，采用多媒体加密算法可以实现对传 输数据的安全保护。而且，可以通过设定加密强度和密钥，来给用户分配权限。只有 拥有正确密钥的用户才可以接收传输的数据；不同等级的用户可以收看或收听不同质 1 绪论 博士学位论文 量的节目。如果某个用户希望获得更高质量的节耳，他必须付出更多的费用。这种加 密算法可以实现用户权限控制，它对加解密的实时性要求高，同时，要与编码过程相 结合，以此来实现加密强度控制。 1 4 多媒体加密技术的研究进展 1 4 1 多媒体加密技术的发展过程 多媒体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，可以将其分为三个阶段。 第一个阶段主要是研究多媒体置乱算法，即直接置乱图像或视频数据，以达到致 使数据混乱而不能被理解的目的。例如，m a t i a s t 3 刀提出采用空间填充曲线方法来置乱 图像或视频数据，置乱后的图像或视频序列不可理解；欧洲电视网采用e u r o c r y p t 3 s 加密标准来加密其电视信号，即以行为单位置乱每一帧电视画面。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，因此仅适盒不需要压缩编码的 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。通常使用的多媒体数据都先 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多媒体数据进行加密， 这就是多媒体加密算法研究的第二个阶段。例如，q i a o 等田l 提出对d e s 密码的改进 算法v e a ，并将其用于m p e g 视频的加密，其加解密效率比d e s 提高了4 7 。r o m e o 等 4 0 1 提出一种称作r p k 的加密算法，用于视频数据加密，其既具有流密码的快速性 特点，又具有块密码的高安全性特点。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。因此，此类算法多用 于多媒体数据的加密保存。 第三个阶段，采用部分加密方法来加密多媒体数据，即，选择加密多媒体码流中 的一部分数据。随着网络技术的飞速发展，多媒体数据的应用更加广泛和频繁，如基 于多媒体的视频会议、视频点播、可视电话等。这些应用对实时性要求很高，采用以 前的加密算法壹接加密，很难满足应用的要求；选择加密少量数据，可以通过降低计 算复杂度来满足实时性要求。如，c h e n g 等 4 j 】给出在基于小波变换的图像或视频编码 6 博士学位论文 多媒体快速加密算法研究 中选择加密一部分码流的加密方法。袁春等 4 2 1 给出一种基于混沌密码的视频流选择性 加密方法，即，针对压缩流的具体特性，采用混沌伪随机序列发生方法，将非对称公钥 加密算法和流加密算法相结合，提出了基于混沌的选择性视频流加密算法，并进行了 密码分析、算法评估和具体试验效果分析。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。其不足是，安全性降低了。 1 4 2 多媒体加密技术的研究现状 在过去的十年间出现了许多用于多媒体数据的加密算法。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，将多媒体数据看作 普通数据直接加密的方法，不具有相容性，称其为直接加密方法；第二类，在多媒体 编码过程中，选择加密一部分数据，此类算法具有相容性，称其为选择性加密方法； 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方法。 1 4 2 1 直接加密方法二 这类算法将多媒体数据当作普通二进制数据，使用传统的密码算法如d e s 、 i d e a 、r s a 等来加密。这些方法利用了传统密码的高强度的优点，来满足高安全性 要求，但同时带来了运算速度慢、难满足实时性要求的缺点。因此，这种算法更适合 用于多媒体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 ) 对原始多媒体数据直接加密 这类加密算法不考虑数据压缩，主要有直接置乱方法和置乱加扩散方法等。例如， 采用空间填充曲线方法( s f c ) 【3 ”改变图像或视频的扫描顺序，从而实现位置置乱， 降低图像或视频数据的可理解性。其中，填充曲线方法遵循对相邻像素的扫描方式， 区别于传统的光栅扫描方式，而且，此扫描过程可以通过密钥来控制。另外，采用混 沌保面积映射的混乱特性 4 3 , 4 4 】，可以实现对图像或视频的位置置乱，即，将位置坐标 作为混沌映射的初始状态，通过反复迭代将其映射到新的位置。也有一些算法采用数 学变换方法来置乱图像的像素位置。例如，文献【7 】给出一种采用魔方变换来置乱位 置的方法，文献【8 】给出一种用数学变换来置乱图像位置的方法。还有一些算法采用 随机数方法来置乱数据位置。例如，k u h n 4 5 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。、仅仅置乱是不够安全的，尤其在已知明文的情况下；将置乱过程与 1 绪论 博士学位论文 扩散过程相结合，可以获得较高的计算安全性脚】。例如，基于混沌的数据块加密算法 4 8 - 9 l 将图像或视频数据先进行位置置乱，再进行像素值扩散。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；雨且，支持不同尺寸的明文数据块，从而适用于图像或视频数据的加密。 但是，这些算法因为改变了数据点问的统计特性，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。 ( 2 ) 对压缩后的数据进行加密 采用直接置乱方法加密压缩后的码流。例如，以字节为基本单位，对m p e g 视 频流直接置乱。q i a o 等m 删指出，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。 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 e d t 提出一种称作v e a ( v i d e oe n c r y p t i o na 1 9 0 r i t i l m ) 【3 9 】的视频加密方法，将明文 块分成o d d ：叩，翔p 嘲= a z a 4 。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 do e v e n = c e 2 。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 t s l t 对此方法作迸一步扩展。将奇数部分e v e n 再分半，这样加密复杂度 降为原来的四分之一。a 窨i 和g 一5 2 】提出一种视频加密算法，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。 r o m e o 等提出一种称作r p k t 删的视频加密方法，并指出该算法既具有流密码的快速 性特点，又具有块密码的高安全性特点。l i t s 3 1 提出一种基于混沌的块密码，并将其用 于视频数据的加密。w e e 和a p o s t o l o p o u l o s 瞰5 5 1 提出一种适用予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韵不f 司数据层，采用密文反馈方式 加密，以增强密码系统安全强度。这种方法利用了流密码的快速性特点，并且将流密 码与流格式的视频相结合。易开样等冈以混沌流密码为基础构造了图像加密方法，吴 敏等田捌以混沌为基础构造了用于图像加密的块密码，樊雷等【瑚将混沌l o g i s t i c 映射 和混沌c a t 映射相结台，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直接加密多媒体数据，具有较高的安全 性，但由于加密数据量大，加密效率低。这些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 8 博士学位论文 多媒体快速加密算法研究 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。数据格式的改变同 时增加了多媒体数据操作的难度，例如，不能够使用通用播放器播放，不利于画面裁 减、定位等操作，对码流错误的敏感性高等。这些特点使得直接加密算法适用于安全 性要求、可操作性要求低的应用中，如多媒体数据存储。在这些应用中，关键要解决 的是算法的效率问题。 1 4 2 2 选择性加密方法 多媒体数据通常具有数据量大的特点，通过选择加密一部分数据5 啊，可以降低加 密的数据量，提高加密效率。例如，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【4 ”，在m p 3 音频码流中加密一部分参数的加密方法唧- 6 1 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方法得到了更 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 的帧结构的，郎，仅仅加密其中的i 帧。 直观地，i 帧未知，仅有p 帧和b 帧，对视频解码是没有意义的。但是，实验表明捌， 由于帧问的相关性，p 帧、b 帧中有未加密的i 块，仅仅加密i 帧不能达到足够高的 安全性。t a n g 4 2 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 m p e g 使用二维d c t 变换将空间域数据变换到频率域，减小数据的相关性，以 实现压缩霹的。g 吲提出对d c t 数据置乱的方法，即，置乱变换后的d c t 系数， 以实现加密的目的，建议以下几种方法：保持直流系数( 第一个系数) 位置不变， 其它系数间置乱；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， 1 绪论 博士学位论文 就违背了“之”形扫描的能量大小排列顺序，因此会给熵编码后的压缩效果带来较大 影响。t o s u m 等1 6 3 1 对其作了改进，将6 4 个d c t 系数按照频带划分为3 段，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 6 4 点。可见，在每一层内置乱， 相对于6 4 点完全置乱，对压缩效果的影响较小；但是，这同时降低了置乱空间，从 而降低了安全性。与其它算法相比，此类算法的复杂度低，运行速度快。但是，q i a o 等嘲】的分析和实验表明，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。 ( 3 ) 加密d c t 系数的符号和运动向量的符号 s h i 和b h a r g a v a t 6 5 】提出一种加密d c t 系数符号的方法。这是将符号( “0 ”表示 正数，“1 ”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按位作 异或运算，将加密后的符号相应地赋回原数据中。后来他们又提出一种加密d ( 玎系 数的符号和运动补偿向量的符号的方法 6 6 1 ，即，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6 4 位，所以每次要获取6 4 个符号，这6 4 个符号按如下方式选 择：o 对于i 帧，从亮度和色度块( k ，砭，b ，g ，c ) 中选出6 4 个系数的符号；对于 p 帧，从前向补偿向量( ，j ，t ) 中选择两个符号，从亮度和色度块嘶，e ，匕，g ，c ，) 中 选出6 2 个系数的符号；对于b 帧，从前向补偿向量( ， ) 和后向补偿向量( 6 。b ，) 中 分别选择两个符号，从亮度和色度块( x ，艺，y 3 ，k ；g ，c ，) 中选出6 0 个系数的符号。y e n 和g u o t 6 7 j 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。 这类算法仅仅加密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，同时保持了数据的相容性和可操作性。但是，其安全性没有得到证明。 ( 4 ) 频率域数据置乱和符号加密相结合 z e n g 和l e i 【鹋l 提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：每个变换系数的符号的加 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。作者通过使用以上不同种加密方式的组合对不同种 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。这类选择性加密方法效率高，保持了数