基于MPEG4的網絡視頻流加密技術的研究

摘要:根據網絡視頻流安全傳輸的要求和MPEG4視頻編碼的特點，該文提出了一種基于Logistic混沌映射的視頻加密算法，在編碼過程中利用混沌序列對視頻數據在頻域進行加密。該文將該算法實現在MPEG4的編解碼器XVID中，在保證數據安全傳輸的同時，該算法具有很好的實時性。

關鍵詞:混沌序列;視頻流;加密

中圖分類號:TP37文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)01-199-02

Research of Network Video Streaming Encryption Technology Based on MPEG4

WANG Hao

(University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu 610054， China)

Abstract: Based on the secure transmission of video streaming and the feature of MPEG4 video coding， a video streaming encryption algorithm based on the Logistic chaotic sequence is presented in the paper， the algorithm encrypts the video data in frequency domain. It has been accomplished in the XVID， and it can satisfy the requirement of data security and real-time.

Key words: chaotic sequence; video streaming; encryption

隨著網絡和多媒體技術的快速發展，視頻網絡傳輸得到了廣泛的應用。由于網絡的公開性，使得網絡上傳輸的數據很容易被獲取，這使得視頻流在網絡上很容易遭受到惡意的攻擊和竊取，因此網絡視頻安全受到了越來越多的關注。

視頻流具有數據量大、傳輸比特率高、實時性強等特點，因此傳統的文字加密方法不適合視頻流加密。視頻流加密算法必須權衡系統的開銷和安全強度之間的矛盾，在不影響系統安全的前提下，合理利用視頻自身數據結構的特點，減少運算量，提高系統效率。

1 Logistic混沌映射

混沌來自于非線性動力系統，而動力系統又描述的是任意隨時間變化的過程，這個過程是確定性的、類似隨機的、非周期的、具有收斂性的、并且對于初值具有敏感性，而這些特性正符合序列密碼的要求。1989年Robert Matthews在Logistic映射的變形基礎上給出了用于加密的偽隨機數序列生成函數，其后混沌密碼學及混沌密碼分析等便相繼發展起來。混沌流密碼系統的設計主要采用以下幾種混沌映射:一維Logistic映射、二維Henon映射、三維Lorenz映射、逐段線性混沌映射、逐段非線性混沌映射等，本文主要討論一維Logistic映射。

一維Logistic映射從數學形式上來看是一個非常簡單的混沌映射，早在20世紀50年代，有好幾位生態學家就利用過這個簡單的差分方程，來描述種群的變化。此系統具有極其復雜的動力學行為，在保密通信領域的應用十分廣泛，其數學表達公式如下:

Xn+1=Xn×μ×(1-Xn)μ∈[0，4]X∈[0，1](1)

其中 μ∈[0，4]被稱為Logistic參數。研究表明，當X∈[0，1] 時，Logistic映射工作處于混沌狀態，也就是說，初始條件X0在Logistic映射作用下產生的序列是非周期的、不收斂的，而在此范圍之外，生成的序列必將收斂于某一個特定的值。如圖1、圖2所示。

從圖2可以看出，在μ的取值比較靠近4時，迭代生成的值是一種偽隨機分布的狀態，而在其他取值時，在經過一定次數的迭代之后，生成的值將收斂到一個特定的數值，因此我們需要選取的Logistic控制參數應該越接近4越好。

2 視頻流加密算法的設計與實現

2.1 系統框架設計

視頻加密傳輸系統的方案如圖3所示，在PC機上，系統使用XVID編碼器和混沌序列對視頻文件進行加密編碼，然后通過RTP網絡傳輸至另一臺PC上進行解密解碼顯示。

2.2 加密算法的實現

本文提出的加密算法是在視頻圖像的變換域中使用混沌序列對數據進行加密，由于低頻變化系數的方塊效應，使計算量大大降低，視頻圖像的變換域由DCT(離散余弦)變換得到。算法具體實現步驟如下:

1) 利用公式1生成實數值序列:即{ xk ，k=0，1，2，3……..}，舍棄前1000次的迭代，以保證系統進入混沌狀態;

2) 選取小數點后的3，4，5三位組成二值序列作為混沌加密序列;

3) 分別生成用于加密DCT系數以及運動矢量(MV)的加密序列;

4) 采集視頻數據使用編碼器進行DCT變換和運動補償，得到變換系數和運動矢量，并進行量化;

5) 根據相應的加密序列，對宏塊的DCT系數進行異或加密，對MV系數通過改變符號進行加密;

6) 進行VLC編碼;

解密部分的設計和加密部分的設計是相反的，解碼器將接收到的加密視頻流進行解壓縮，得到加密的DCT和MV系數，根據和在加密端完全相同的混沌序列，按照加密的方法進行逆變換，還原DCT和MV系數，然后重構視頻幀，完成解密解碼。

2.3 視頻數據網絡傳輸

TCP協議是面向連接的傳輸協議，它的重發機制會引入較大的延時，不適合用于實時的視頻數據傳輸，而UDP提供的是非面向連接的，不可靠的數據流傳輸，對數據不進行重傳和確認，所以在強調實時性的數據傳輸時，例如音視頻數據，應該選用UDP協議。

本文采用基于RTP的JRtplib庫將加密視頻數據傳送至接收端，RTP即實時傳輸協議，用于Internet上針對多媒體數據流的傳輸。它通常使用UDP協議來傳送數據，JRtplib是用C++語言封裝好的RTP庫。編寫應用程序，通過調用JRtplib靜態庫就可以實現對編碼后的視頻數據進行傳輸。

2.4 密鑰的安全傳輸

為了能夠使客戶端正確的解碼視頻數據，必須首先將加密數據使用的密鑰(即生成混沌序列的初始值和參數)發送到客戶端，由于密鑰的數據量小，接收方確定，同時具有簽名的特性，所以本文采用基于橢圓曲線密碼算法(ECC)的非對稱密碼體制進行密鑰傳輸。ECC的安全性依賴求解橢圓曲線上離散對數問題的困難性，與RSA公鑰體制相比，ECC具有更高的單比特安全性。ECC的加密過程如下:

1) 用戶A選定一條橢圓曲線Fp(a，b)，并取橢圓曲線上的一點，作為基點G;

2) 用戶A選定一個私有密鑰k，并生成公開密鑰K=kG;

3) 用戶A將Fp(a，b)和點K，G傳給用戶B;

4) 用戶B接收到信息后，將待傳輸的明文編碼到Ep(a，b)上一點M，并產生一個隨機整數r(r

5) 用戶B計算點C1=M+rK; C2=rG，將C1、C2傳給用戶A;

6) 用戶A收到信息后，計算C1=kC2，得到M，再對M解碼就可以得到明文。

3 系統的安全性分析

混沌系統對于初始值和參數非常敏感，由于混沌的隨機特性能夠使密鑰均勻的分布在密鑰空間中，確保了混沌序列中0和1的分布均勻，可以認為是隨機序列，采用窮盡式密鑰搜索分析進行解密是很困難的。同時在系統中實時的改變混沌序列的參數，增加了解密的困難性。

橢圓曲線離散對數問題的難解性是所有曲線密碼方案安全性的基礎，它的160位長密鑰安全性強度相當于RSA體制中1024位長的安全強度。從下表可以看出，在相同的安全級別上，ECC所需的密鑰長度比RSA系統需要的密鑰長度更短，一般認為破解時間為 MIPS年就代表安全。

系統通過TCP/IP通道經過ECC加密傳輸密鑰，使加密密鑰不容易被竊取，增加了系統密鑰傳輸的可靠性和安全性。

4 實驗結果分析

本文在PC上將算法應用到XVID編解碼器中，并采用標準測試圖像序列flower_cif.yuv進行測試，圖4是原始圖像序列中的一幀，圖5是加密后的結果。從圖中可以看到，加密后的圖像已經不可理解，本文所提出的加密算法具有很好的加密效果。

混沌加密準備時間非常短，同時由于加密數據量比較小，使得加密占用很少的運行時間，具有較快的加密速度，同時能夠達到實時視頻加密傳輸的效果。表2是對標準測試序列進行正常編碼和加密編碼的對比。

5 結論

針對MPEG4編碼的特點，本文提出了基于Logistic混沌映射的視頻流加密算法，該算法具有很好的安全性和實時性，而且易于實現。在密鑰的傳輸上采用基于橢圓曲線密碼算法的非對稱密碼體制，增強了視頻數據網絡傳輸的安全性。

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