大家都知道，最初的視頻加密方法可以稱為直接加密算法，該加密算法沒有利用視頻數(shù)據(jù)的任何特性，僅僅將視頻比特流與傳統(tǒng)的文本數(shù)據(jù)同等對待，直接將視頻圖像數(shù)據(jù)用標準加密算法，比如DES，AES等進行加密，雖然這可能是最安全的視頻圖像加密方法，但是由于視頻數(shù)據(jù)量非常大，使得該算法計算復雜度較高，實時性較差，所以在實際當中很少使用，另外一類視頻圖像加密算法稱為選擇性加密算法Aegis算法，VEA算法等，這類視頻圖像加密算法不同于傳統(tǒng)的加密算法，它利用了視頻數(shù)據(jù)的特性，僅僅對全部數(shù)據(jù)的一小部分進行加密，在多媒體數(shù)據(jù)傳輸過程中能用很小的計算復雜度來達到較高的安全性。

一、基于混沌序列的視頻流部分加密

1、基于混沌序列的視頻流部分加密系統(tǒng)設計

通過對國內(nèi)外該領域內(nèi)的專家學者的研究和發(fā)表的論文進行了大量的研究分析，我們采用了選擇性加密算法的思想，結(jié)合視頻流的實際應用要求，將混沌引入了選擇性加密視頻加密算法中，提出了一種新的視頻圖像加密算法——“基于混沌序列的視頻流加密”(Encryption Algorithm for VideoStream Based on Chaos Sequence, EVSBC)算法，這是一種融合了加密和壓縮的方案，其中應用的加密算法是頻域選擇性加密算法，在進行算法設計過程中，我們總結(jié)出了考慮視頻加密算法時需要考慮的幾個問題：

（1）多媒體數(shù)據(jù)和通常的電子信息有一個非常突出的不同點就是多媒體數(shù)據(jù)的價值比較低，但是數(shù)據(jù)量或數(shù)據(jù)速率又非常高；

（2）視頻信息相對于其他類型的數(shù)據(jù)，對于實時性的要求非常高；

（3）通常數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)都包含壓縮模塊以減少傳輸?shù)谋忍芈?，這就要求必須很小心地設計加密方法，防止對壓縮效率造成潛在的負面影響；

（4）由于時域上的選擇性視頻圖像加密算法主要是在空間上直接對圖像進行擾亂，這樣會極大地改變原始圖像的統(tǒng)計特性，這就使得圖像壓縮變得非常困難。

本文所提出的方法是在視頻圖像的變換域即頻域由混沌序列對視頻數(shù)據(jù)進行加／解密，在頻域進行加／解密操作，由于低頻變換系數(shù)的方塊效應，使計算量大大降低。視頻圖像的變換域由DCT變換即離散余弦變換得到。

對于N×N的輸入抽樣值矩陣，經(jīng)過DCT變換得到N×N的系數(shù)矩陣。DCT變換可表示為：

IDCT表示為：

（1）、（2）式表示為累加和的形式。

2、混沌系統(tǒng)及應用

混沌現(xiàn)象是非線性動態(tài)系統(tǒng)中出現(xiàn)的確定性的偽隨機過程。這種過程是非周期的、整體上穩(wěn)定而在局部上具有擴張性，它對初始條件的敏感性以及混沌信號的寬帶性是好的密碼系統(tǒng)的重要特征。

在本文提出的系統(tǒng)中采用的是廣泛應用的混沌系統(tǒng)Logistic映射，研究表明，一維Logistic混沌映射產(chǎn)生的混沌序列具有均值為零，自相關(guān)近似為沖激函數(shù)，互相關(guān)為零的類似白噪聲的概率統(tǒng)計特性，其根本特性是對初值的極端敏感性。Logistic映射由下式給出：

其中μ∈(0，2]，xn∈[一1，1]。

文章考慮滿映射（μ=2）的情況，滿足條件時，由該映射產(chǎn)生的序列呈現(xiàn)出混沌態(tài)，即迭代后的終值xn與初始值x0、系統(tǒng)參數(shù)μ及迭代次數(shù)有著非常敏感的關(guān)系，參數(shù)的細微之差將得到截然不同的終值Xn；而且生成序列{Xk，k=0，1，2，3，…｝具有混沌序列特性，由(5)式以0.345 6為初值產(chǎn)生的混沌時間序列如圖1所示。

圖2是該序列的功率譜。

將(5)式中產(chǎn)生的實值混沌序列變換成GF(2)域中的二進制序列：

其中sgn(…)是符號函數(shù)。就得到了混沌序列的二值量化序列{yk，k=0，1，2，3，…}，該序列在EVSBC系統(tǒng)中作為控制頻域選擇性加密的偽隨機序列。

3、系統(tǒng)實現(xiàn)

文章將提出的EVSBC集成到目前最新的MPEG -4視額編／解碼器中。編碼器部分，該算法在MPEG一4壓縮編碼的過程中引入基于混沌序列的視頻流加密。具體實現(xiàn)流程是：

（1）生成分別用于加密直流分量(DC)，交流分量(AC)及運動矢量(MV)的混沌序列；

（2）視頻圖像完成運動補償和進行DCT變換，分別得到MV分量和變換系數(shù)；

（3）進行量化編碼；

（4）每個宏塊(Macroblock)的DC，AC分量和MV分量分別與相應的混沌序列進行異或運算，即相當于用相應的混沌序列隨機地改變DC，AC分量和MV分量的符號；

（5）進行壓縮編碼；

（6）對每幀圖像重復至結(jié)束。其框圖如圖3所示。

解碼器部分的設計和編碼器部分的設計基本是相反的。解碼器將接收到的經(jīng)過加密的壓縮比特流，首先進行解壓縮，得到加密的變換系數(shù)和運動矢量。加密的變換系數(shù)和運動矢量又在與加密端完全相同的混沌序列的作用下進行解密，之后，就可按標準的步驟進行逆變換，最后得到重構(gòu)的視頻幀，完成解碼和解密的過程。集成解密的MPEG -4解碼器示意圖，如圖4所示。

系統(tǒng)的示意圖中虛線框中的部分，即是集成到標準MPEG -4編碼器中的基于混沌序列的選擇性加／解密模塊，完成對視頻圖像數(shù)據(jù)的加／解密操作。加密端和解密端的加／解密部分是在2個獨立的、完全相同的混沌系統(tǒng)的控制下完成的，2系統(tǒng)間不存在耦合關(guān)系。

EVSBC的加密過程相對而言很簡單，但是很有效?？梢蕴峁┎煌用芗墑e，本文提出的視頻圖像文件加密系統(tǒng)的另一個重要特點是對運動矢量的有效加密。許多專業(yè)資料中提出的加密算法往往只是注重了對變換系數(shù)的加密，而忽略了運動矢量的重要性。

二、基于混沌序列的視頻圖像加密性能評估

1、安全性分析

首先，混沌系統(tǒng)對初始值和參數(shù)非常敏感，可以提供很大的密鑰集合，完全滿足加密的需要。由于混沌的內(nèi)在隨機性、初值敏感性確保了混沌序列中“0”與“1"的出現(xiàn)次數(shù)均服從二項分布，概率均收斂于1/2．這樣使得該函數(shù)的設計在概率意義上是不可預測的。

其次，混沌加密屬于流密碼，對分組加密的攻擊方法是無效的。同時，對選擇明文／密文攻擊方法，由于混沌序列的單向性和混沌信號的迭代處理，異或操作后密鑰流的推斷幾乎不可能。加密操作和視頻壓縮的集成也在一定程度上增加了破解的難度，文本文實現(xiàn)了EVSBC算法之后，進行了一系列的實驗。

采用細節(jié)較豐富的標準測試圖像序列mobile—qaif．yuv進行實驗。

圖5是從標準測試圖像序列molnle—qcif．yuv中提取出的原始圖像幀，圖6是對該幀圖像的DCT變換系數(shù)的AC分量進行加密后得到的結(jié)果。從圖中可以很直觀地看出，該幀視頻圖像已經(jīng)被有效地加密，整幅圖像已經(jīng)模糊不清。

圖7是圖6（AC系數(shù)加密后的圖像）右上角區(qū)域的局部放大，從圖中可以非常明顯地看到圖像已經(jīng)被混沌序列隨機擾亂了。

圖8則是由同一 Logistic混沌映射Xn+1=f（Xn）=1- μX2n，但是取與加密序列不同的初始值x0=0. 3458得到的混沌序列對加密后的圖像進行解密得到的結(jié)果，從中可以看出，該幀圖像整體上依然是模糊的，無法辨認細節(jié)內(nèi)容，因而，可以說，如果接收方不能獲得正確的混沌序列，那么加密后的圖像是不能正確解密的。

2、代價分析

算法的代價主要包括時間代價和空間代價，時間代價又分為準備時間和加密時間，通常，加密前的準備時間主要是用來完成生成子密鑰，即生成混沌序列；加密時間主要是在子密鑰的控制下對明文數(shù)據(jù)進行變換所需時間。

本文提出的EVSBC屬于流密碼的范疇，其準備時間非常短，加密時只是對視頻數(shù)據(jù)進行選擇性的異或操作。其總的運行時間相對于目前流行的分組加密算法來說也是很少的，表1就是EVSBC算法和用IDEA加密視頻文件的對比數(shù)據(jù)。

空間代價分為算法實現(xiàn)的靜止空間和運行態(tài)空間。EVSBC算法沒有S- box空間，臨時變量也比較少，而且，它通過循環(huán)產(chǎn)生密鑰流，循環(huán)過程中需要寄存的變量有限，因此，其運行時占用的空間很少。在空間代價上是比較優(yōu)秀的。

此外，本文提出的基于混沌序列的視頻圖像加密系統(tǒng)是一個融合了加密和壓縮的方案，該方案充分考慮了多媒體數(shù)據(jù)的特點，在頻域?qū)?shù)據(jù)進行有效地加密，同時對壓綰效率幾乎沒有負面影響，表2和表3分別是對大小分別為11 404 800 bytes和11 407 360 byte的標準測試序列foreman一qcif．yuv和mobile一qcif，yuv在正常壓縮和帶EVSBC加密的壓縮結(jié)果的對比。

本文提出了一種基于混沌序列的視頻流部分加密方法，該算法針對視頻圖像數(shù)據(jù)的特點在混沌序列的控制下在變換域?qū)σ曨l數(shù)據(jù)進行擾亂。實驗表明該算法實現(xiàn)特性較好，具有較高的安全性和實用價值。

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