一种基于混沌的H.264视频快速零码率膨胀加密方法技术

本发明专利技术是一种基于混沌的H.264视频快速零码率膨胀加密方法，包括以下步骤：步骤1：生成加密密钥流：将yuv视频作为SHA

【技术实现步骤摘要】
一种基于混沌的H.264视频快速零码率膨胀加密方法


[0001]本专利技术是一种基于混沌的H.264视频快速零码率膨胀加密方法，涉及多媒体信息安全领域。
技术背景
[0002]互联网的迅猛发展和数字多媒体信息的广泛应用推动了传媒产业的快速发展，丰富的多媒体信息被用于政治、经济、军事、教育、医疗和新闻等各行各业。多媒体中的视频信息具有独特的感观特性，是包含内容最为丰富的一种媒体，能提供比文本、声音和图形更为丰富和形象生动的信息。随着数字视频编码技术的成熟，使得以视频编码为基础的视频信息流能够适应多种带宽的实际应用场景，逐渐成为人类获取信息的重要手段，满足了人们社会交往、学习、医疗、购物、娱乐等各种需要。
[0003]然而，任何事物的发展都具有两面性。由于网络的国际化、社会化、开放化、个性化的特点，使得视频信息在向人们提供信息共享、资源共享和技术共享的同时，也带来了一系列安全隐患。当前，信息安全问题已威胁到了各行各业，其中视频信息安全问题尤为突出。例如，对于敏感的军事航空等视频信息，通常要求进行安全保护处理，防止未授权用户非法访问获取数据内容。对于视频点播或收费电视等应用，非法拷贝传播或者未授权用户通过非法手段获取付费节目，都会造成巨大的商业损失。随着无线及移动通信网络的迅猛发展，个人用户需要保存和交流的视频信息越来越多，使得视频信息的安全问题更加突显。
[0004]早期的安全方法主要依赖于对访问者的身份认证，而视频信息本身并未经过加密处理，存在传输过程中被窃取后解码并播放的问题。因此，如何从源头保护视频信息的安全是一项十分紧迫的工作，具有十分重要的理论意义与实际应用价值，己成为信息安全领域的研究热点。近年来，研究学者们提出了一系列视频加密算法，力求在视频进行存储或传输前即对其本身进行加密，使得视频加密算法的研究取得了长足的进步。然而，现有的基于H.264视频加密算法中，仍然存在以下不足：
[0005](1)对于早期算法由于加密数据选取不当或加密算法过于复杂而造成的实时性不足的问题，现有算法提出以视频的哈希摘要值作为密钥以提升实时性。然而这种做法相当于一次一密，带来了密钥分发的难题；一些算法提出将哈希值作为密钥的一部分，联合驱动混沌系统。然而这种做法通常需要对哈希值进行单独传输，带来了应用的不便。
[0006](2)对于早期算法中将视频数据视为普通二进制码流而对其进行完全加密造成的计算复杂度较高的问题，现有算法选取重要语法元素进行选择性加密。然而在进行算法设计时未针对待加密语法元素的编码特征设计相应的加密方法，使得加密后的数据流与原始数据流相比有一定程度的码率膨胀，对于视频信息的传输和存储都带来了额外的困难。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种基于混沌的H.264视频快速零码率膨胀加密方法。利用哈希函数增强明文信息和加密密钥流之间的关联，通过使用明文哈希值与用户密钥共同驱
动混沌系统生成密钥流，建立了明文与密钥流的强耦合，实现仅一轮替代即可达到良好扩散效果的加密算法，实现快速加密；对于哈希值的传递，本专利技术在密文运动矢量差处设计了一种隐写算法。通过将哈希值隐藏于密文视频中，使其不再需要额外的传输机制，实用性更强；在加密算法的设计中，本专利技术针对待加密语法元素的编码特征设计对应的加密方法，保证了加密过程的零码率膨胀。本专利技术能够在保证加密算法安全性的前提下，提高视频加密算法的实时性，同时实现加密算法的零膨胀。
[0008]为实现本专利技术的目的所采用的技术方案是：
[0009]一种基于混沌的H.264视频快速零码率膨胀加密方法，包括以下步骤：
[0010]步骤1：生成加密密钥流：引入哈希函数，将生成的明文摘要与用户密钥结合共同驱动混沌系统生成与明文相关的密钥流；
[0011]步骤2：帧内预测信息加密：结合H.264编码规则中帧内预测模式的编码方式对其设计特定的加密方法，运用步骤1中生成的密钥流进行加密；
[0012]步骤3：帧间预测信息加密：对帧间预测编码过程中的运动矢量差设计特定的加密方法，运用步骤1中生成的密钥流进行加密；
[0013]步骤4：残差系数加密：此步骤在残差系数的熵编码过程中进行，对拖尾系数及非零系数幅值分别运用步骤1中生成的密钥流进行加密；
[0014]步骤5：将哈希摘要值隐写于密文运动矢量差中以用于视频的正确解密。
[0015]本专利技术的有益效果是：
[0016]1、针对加密算法的实时性问题，本专利技术引入哈希函数设计了一种加密密钥流与明文相关的算法，建立了明文与密钥流的强耦合。利用哈希函数的“雪崩”特性与混沌系统初始值敏感特性，使用该密钥流进行一轮替代操作即可达到良好的扩散效果，实现快速加密。如图2所示，为使用该密钥流对明文进行一轮替代操作与传统“置乱
‑
扩散”框架进行两轮操作后的加密结果对比图。
[0017]2、针对哈希值传递问题，本专利技术对哈希摘要值在密文运动矢量差处设计了一种隐写算法。通过将哈希值隐藏于密文视频中，使其不再需要额外的传输机制，算法的整体实用性更强。
[0018]3、针对码率膨胀问题，本专利技术结合各加密点的语法元素编码规则进行加密算法的设计，在保证加密系统有良好的安全性的同时，实现无码率膨胀的加密算法，利于视频数据的存储和传输。
附图说明
[0019]为了使本专利技术的技术方案更加清晰，下面结合附图对本专利技术进行详细描述，其中：
[0020]图1为视频加密方法流程图。
[0021]图2a为传统置乱
‑
扩散算法。
[0022]图2b为本专利技术提出的一轮替代算法。
[0023]图3为视频加密算法总体框架。
[0024]图4为帧内预测块示意图。
[0025]图5a为测试视频Bus第100帧原图像。
[0026]图5b为测试视频Bus第100帧加密效果图。
[0027]图5c为测试视频Bus第100帧解密效果图。
[0028]图5d为测试视频Harbour第100帧原图像。
[0029]图5e为测试视频Harbour第100帧加密效果图。
[0030]图5f为测试视频Harbour第100帧解密效果图。
[0031]图5g为测试视频Ice第100帧原图像。
[0032]图5h为测试视频Ice第100帧加密效果图。
[0033]图5i为测试视频Ice第100帧解密效果图。
具体实施方式
[0034]为了使本专利技术的目的、技术方法及优点更加明显，下面结合图1、图2a、图2b、图3、图4、图5a、图5b、图5c、图5d、图5e、图5f、图5g、图5h、图5i及具体实施方式对本专利技术做进一步的详细说明。此处描述的具体实施方式仅用来解释本专利技术，并限定于本专利技术。本专利技术亦可通过其他具体实施方法进行应用。可根据相似需求背景，在不背离本专利技术思路下进行修饰或修改。
[0035]本专利技术提出一种基于混沌的H.264视频快速零码率膨胀加密方法本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于混沌的H.264视频快速零码率膨胀加密方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：生成加密密钥流；步骤2：帧内预测信息加密；步骤3：帧间预测信息加密；步骤4：对残差系数在熵编码过程语法元素加密；步骤5：将哈希摘要值隐写于密文视频中以用于视频的正确解密。2.根据权利要求1所述的一种基于混沌的H.264视频快速零码率膨胀加密方法，其特征在于，步骤1：生成加密密钥流，具体包括以下步骤：步骤1.1：初始化用户密钥；假设用户密钥值取为：(userkey_x＝9.45478484102548,userkey_y＝7.01548752156984,userkey_z＝20.1254875014506,userkey_u＝5.69840145987215)；步骤1.2：将完整的待加密视频作为哈希函数SHA
‑
224的输入得到224bits的明文摘要值sha0～sha
223
；其中，SHA
‑
224是美国国家标准与技术研究院于2004年2月发布的散列函数；步骤1.3：将224bits的哈希摘要值进行分组得到SHA
p1
～SHA
p4
，分组公式如式(1)所示：步骤1.4：量化SHA
p1
～SHA
p4
得到四个实数hx，hy，hz，hu，量化公式如式(2)所示：其中<<s代表左移s位；步骤1.5：将用户密钥(userkey_x，userkey_y，userkey_z，userkey_u)与(hx，hy，hz，hu)结合，公式如式(3)所示，得到混沌初值x0，y0，z0，u0；步骤1.6：以混沌初值x0，y0，z0，u0作为超混沌系统的状态变量初始值，采用四阶龙格
‑
库塔法(Runge
‑
Kutta)对超混沌系统进行N0次预迭代；超混沌系统的公式如式(4)所示：
其中，(x,y,z,u)为混沌系统的状态变量，分别为状态变量x,y,z,u对时间的导数，a，b，c为常量，本文中，a＝36，b＝3，c＝20，d为控制参数，当
‑
0.35＜d≤1.30时，系统处于超混沌状态；N0为常量，一般取N0≥200，本文中，N0＝200；采用四阶龙格
‑
库塔法对系统进行N0次迭代的公式如式(5)所示：其中，其中，其中(x
n
,y
n
,z
n
,u
n
)为超混沌系统的n次迭代后的状态变量，(x
n+1
,y
n+1
,z
n+1
,u
n+1
)为超混沌系统的n+1次迭代后的状态变量，h为步长，此处取0.005；步骤1.7：继续迭代一次混沌系统，将当前的状态变量值(x
n+1
,y
n+1
,z
n+1
,u
n+1
)依次存储到数组ds
k
＝{ds0,ds1,ds2,ds3}；步骤1.8：将ds
k
量化为key_ele
m
(m＝0,1,2,3)；量化公式如式(6)所示；key_ele
m
＝mod(sig(abs(ds
k
),α),Q
L
),
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)其中，abs(ds
k
)代表ds
k
的绝对值，sig(abs(ds
k
),α)代表取abs(ds
k
)的前α位有效数字，Q
L
代表不同加密点的量化长度，mod(sig(abs(ds
k
),α),Q
L
)代表sig(abs(ds
k
),α)除以Q
L
的余
数；步骤1.9：每加密四个语法元素后，回到步骤1.7继续迭代，直到所有待加密元素均加密完成。3.根据权利要求1所述的一种基于混沌的H.264视频快速零码率膨胀加密方法，其特征在于，步骤2：帧内预测信息加密，具体包括以下步骤：步骤2.1：判断每个4
×
4帧内预测块标志位pred_intra4
×
4_pred_mode_flag的值，出于无码率膨胀的设计要求，对标志位为1的帧内预测块的预测模式不进行加密；对标志位为0预测块执行下述步骤；步骤2.2：判断帧内预测块的位置；提取4
×
4帧内预测块中除上边缘块及左边缘块以外的预测块的3bits预测码字作为待加密数据；步骤2.3：生成加密密钥流；调用步骤1.8中的密钥流生成公式(6)；为保证视频编码的压缩率不变，本步骤中的Q
L
取值为8；步骤2.4：对每一个筛选出的帧内预测模式执行具体加密操作；加密公式如式(7)所示；其中，ipm
curr
为当前待加密的帧内预测模式，en_ipm
curr
为当前帧内预测模式加密后的密文值，key_ele
curr
为当前密钥流元素值，为异或操作符；步骤2.5：将密文值写入编码码流中，并返回步骤2.1对下一个帧内预测子块进行加密，直至完成所有4
×
4帧内预测块加密。4.根据权利要求1所述的一种基于混沌的H.264视频快速零码率膨胀加密方法，其特征在于，步骤3：帧间预测信息加密，具体包括以下步骤：步骤3.1：确定用于加密的运动矢量差...

【专利技术属性】
技术研发人员：付冲，闻嘉钰，孙艳茹，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：