CN103945224A - 基于双随机相位编码的视频加密方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于双随机相位编码的视频加密方法，旨在实现对视频信息的保护。所述方法包括视频信息加密阶段和视频信息解密阶段。在加密过程中，选择视频序列的关键帧I帧作为加密对象。对I帧进行加密时，首先将I帧分离成三个颜色通道：红（R），绿（G）和蓝色（B），再对每个通道分别使用双随机相位编码技术，即在空间域和频域分别对视频帧进行加密，然后将加密后的三个通道合成加密帧，最后将各个加密帧合成加密视频。本发明基于DRPE的加密方法，同时在视频帧空域和频域进行加密，与现有视频加密方法相比，具有所加密的视频数据时间相关性和频域相关性更低、鲁棒性更强的特点。此外，本发明所述加密方法采用双密钥，安全性更高。

Description

基于双随机相位编码的视频加密方法

技术领域

本发明属于视频加密领域，涉及一种基于双随机相位编码的视频加密/解密方法。

背景技术

随着多媒体技术和网络技术的不断发展，数字电视、视频邮件、可视电话等越来越受欢迎，并对我们的生活产生广泛的和深远的影响。尤其是视频监控系统，视频会议系统，视频点播系统和视频广播系统等应用提出了对视频信息的安全进行研究的要求。由于早期的视频加密方法主要是对权限进行控制，并没有对多媒体信息本身进行加密，所以在传输的过程中很容易被窃听着窃取或篡改信息。尤其是关系到军事、政治和经济的机密视频数据，更应该对其进行加密以保障数据的安全。

由于视频信息经常受到恶意攻击，如信息泄露，信息窃取和数据失真，对用户的隐私产生巨大的危害，所以视频流的安全性已成为一个热门的研究课题。例如，Qiao L等在文献1（Qiao L,Nahrstedl K.A new algorithm for MPEG video encryption.In:Proceedings of the firstinternational conferenceon imaging science,systems and technology.Vegas,Nevada,21-29(1997).）中根据MPEG的统计特性提出了一种对MPEG的加密方法，但此加密方法没有考虑视频帧的相关性，所以一旦被窃听者获得视频图像的相关性信息很容易被破解，不能保证视频的安全。

双随机相位编码（Double random phase encoding，简记为DRPE）是由R.Refregier等在文献2（R.Refregier,B.Javidi,Optical image encryption based on input plane and Fourier planerandom encoding,Opt.Lett.20(7),767–769(1995)）中首次提出的。DRPE的基本思想是分别在空间域和频域对媒体信息进行加密，从而得到一个振幅和相位都随机分布的白噪声，使加密载体的安全性大大提高。

目前，DRPE主要应用在图像加密方面。如果将DRPE应用于视频加密，将会弥补Qiao L加密方法的不足，有效保证视频的安全性。

发明内容

针对现有技术中存在的视频加密方法保密效果不理想的问题，本发明提出了一种基于双随机相位编码的视频加解密算法，以有效保障视频内容的安全性。

本发明所述方法包括两个阶段：(1)视频信息加密阶段：首先提取视频数据帧，然后利用两个密钥，分别在空间域和量子傅立叶变换（Quantum Fourier Transform，简记为QFT）域对视频帧进行加密，最后加密帧合成为视频；(2)视频信息解密阶段：由于双随机加密算法具有可逆性，所以解密过程是加密过程的逆处理。

基于双随机相位编码的视频加密方法，其特征在于包括以下部分：

步骤一，对视频的加密过程，方法如下：

（1）提取视频的关键帧，即I帧，并将I帧使用R、G、B三通道表示方法表示出来；

一个压缩的视频序列由三部分组成：I帧，B帧和P帧。其中I帧是一个全帧压缩的编码帧，解码时仅用I帧的数据就可重构完整图像而不需要参考任何其它帧，也称为关键帧；而P帧被进行了更高程度的压缩，它是由它前面的P帧或者I帧预测而来；B帧的压缩度最高，它不仅参考它前一帧，还需要参考后一帧。因此，对I帧进行加密可以大大地影响相关的B帧和P帧，最终影响整个视频。

（2）利用密钥K₁在空间域分别对I帧的R、G、B三个通道数据进行加密。三个通道加密过程相同，加密后得到M_R、M_G、M_B；

（3）对M_R、M_G、M_B进行快速傅立叶变换（FFT）操作，得到FFT（M_R）、FFT（M_G）、FFT（M_B）；

（4）利用密钥K₂在频域对FFT（M_R）、FFT（M_G）、FFT（M_B）进行加密，得到M_1R、M_1G、M_1B；

（5）对M_1R、M_1G、M_1B进行快速傅立叶逆变换（IFFT）操作，最终获得各通道加密数据C_R、C_G、C_B；

（6）将C_R、C_G、C_B合成为加密帧，最后将加密帧合成为加密视频。

步骤二，对视频的解密过程，方法如下：

（1）提取加密视频的关键帧I帧，并将I帧使用R、G、B三通道表示方法表示出来；

（2）利用密钥K′₂对加密帧C_R、C_G、C_B在频域执行解密操作得到M_R、M_G、M_B；

（3）利用密钥K′₁对M_R、M_G、M_B在空域执行解密操作得到明文数据O_R、O_G、O_B；

（4）将O_R、O_G、O_B合成明文帧，最后将明文帧合成明文视频，完成解密。

密钥K₁、K₂、K′₁、K′₂的内容，见具体实施方式部分的说明。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：传统DRPE方法均是用于图像加密，未能用于视频加密，本发明扩展了DRPE的应用范围；本发明基于DRPE的加密方法，同时在视频帧空域和频域进行加密。本发明具有所加密的视频数据时间相关性和频域相关性更低、鲁棒性更强的特点。此外，本发明所述加密方法采用双密钥，安全性更高。

附图说明

图1为基于双随机相位编码的视频加密方法流程图；

图2为仿真实验中所用的原始视频数据的三个关键帧；

图3为加密后的三帧关键帧的显示图；

图4为关键帧“Horse”加密前、后在R通道上的相关性图：（a）水平方向，（b）垂直方向，（c）对角方向；

图5为使用错误密钥解密视频帧所得到的图像。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

基于双随机相位编码的视频加解密方法，加密过程流程图如图1所示，包括以下步骤：

步骤一，实现对视频流的加密；

（1）提取视频的关键帧，即I帧，I帧R、G、B三通道的分量分别为：

O_R＝f(x,y,0)

O_G＝f(x,y,1)

O_B＝f(x,y,2)

其中，(x，y)代表I帧内像素点的空间坐标，“0、1、2”分别表示R、G、B三个分量。

（2）利用密钥K₁在空间域分别对I帧的R、G、B三个通道数据进行加密。三个通道加密过程相同，加密后得到M_R、M_G、M_B：

M_R=O_R.*K₁

M_G=O_G.*K₁

M_B=O_B.*K₁

其中，密钥K₁＝e^j2πn(x,y)，x、y为对应通道像素的坐标，是0～1之间均匀分布的实数，n(x,y)为大小与I帧一致的实数矩阵，“.*”表示矩阵的点乘操作；

（3）对M_R、M_G、M_B进行快速傅立叶变换操作，变换到频率域，得到FFT（M_R）、FFT（M_G）、FFT（M_B）；

（4）利用密钥K₂在频率域对FFT（M_R）、FFT（M_G）、FFT（M_B）进行加密，得到M_1R、M_1G、M_1B：

M_1R=FFT（M_R）.*K₂

M_1G=FFT（M_G）.*K₂

M_1B=FFT（M_B）.*K₂

其中，密钥K₂＝e^j2πb(^ε,η)，ε、η为对应通道的频域坐标，是0～1之间均匀分布的实数，b(ε,η)为大小与I帧一致的实数矩阵；

（5）对M_1R、M_1G、M_1B进行IFFT操作，最终获得加密数据C_R、C_G、C_B。

（6）将C_R、C_G、C_B合成加密帧C，最后将加密帧合成加密视频，C的R、G、B三个分量为：

C(x,y,0)＝C_R

C(x,y,1)＝C_G

C(x,y,2)＝C_B

步骤二，实现对视频流的解密过程，具体方法如下：

解密过程是加密过程的逆操作。

（1）提取加密视频的关键帧I帧，I帧的R、G、B三通道分量为：

C_R＝C(x,y,0)

C_G＝C(x,y,1)

C_B＝C(x,y,2)

（2）利用密钥K′₂对C_R、C_G、C_B在频域执行解密操作得到M_R、M_G、M_B：

M_R=FFT（C_R）.*K′₂

M_G=FFT（C_G）.*K′₂

M_B=FFT（C_B）.*K′₂

其中，密钥K′₂为加密密钥K₂的共轭矩阵。

（3）利用密钥K′₁对M_R、M_G、M_B在空域执行解密操作得到明文数据O_R、O_G、O_B：

O_R=IFFT（M_R）.*K′₁

O_G=IFFT（M_G）.*K′₁

O_B=IFFT（M_B）.*K′₁

其中，密钥K′₁为加密密钥K₁的共轭矩阵。

（4）将O_R、O_G、O_B合成为明文帧O，再将明文帧合成明文视频，公式如下：

O(x,y,0)＝O_R

O(x,y,1)＝O_G

O(x,y,2)＝O_B

下面通过实验对本发明的性能进行分析。

为了测试本发明的安全性和鲁棒性，对一个含有901帧I帧的视频进行加密。实验计算机配置为Intel(R)Core(TM)2Duo CPU E74502.13GHz,2GB RAM，在MATLAB2012a环境下进行仿真实验。图2为实验中所用视频中的其中一帧图像。该I帧图像是分辨率为1280×720的彩色图像。随后随机抽取了其它帧对实验结果进行了验证。

此次仿真从三个方面进行分析：首先是执行视频加密过程，从人眼视觉方面体现本加密方案的密文不可识别性；其次是对加密视频帧进行相关性分析，验证从相关性方面很难攻破本方案；最后，验证密钥的安全性，若密钥不正确，将无法从加密视频中得到明文视频。

（1）不可识别性

加密后的视频数据变得如同噪声一般。视频数据加密后的效果图如图3所示。可以看出视频帧发生了很大变化，肉眼根本无法识别，说明本加密算法有很好的加密效果。

（2）相关性

为了显示本加密方案的安全性能，分别以加密帧的三个通道的水平相关性、垂直相关性和对角相关性作为性能标准。加密后关键帧的相关性ρ_XY可以表示为：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{XY}}=\frac{\mathrm{COV}(X,Y)}{\sqrt{D\left(X\right)D\left(Y\right)}}$

COV(X,Y)＝E{(X-E(X))(Y-E(Y))}

其中，COV(X,Y)代表X和Y的协方差，D(X)和D(Y)分别代表X和Y的方差。ρ_XY的取值范围是0～1之间，相关性越小，加密效果越好。采用不同的关键帧数据进行实验，并比较加密关键帧与未加密关键帧在水平，垂直和对角上的相关性，实验结果如表1所示：

表1经本发明加密的加密帧与原始帧相关性比较

从表1可以看出，经过加密后的关键帧数据相比原始数据相关性大大降低，从而证明DRPE加密技术有良好的加密效果。例如，对于视频帧“Horse”，其原始帧的R通道的水平相关性为0.9854，经过DRPE加密后，它的相关性变为-0.0056；垂直相关性为0.9854，经过DRPE加密后，它的相关性变为-0.0056；对角相关性为0.1949，经过DRPE加密后，它的相关性变为-0.0102。其它两个通道也有相似的结果。每个通道的三个方向的的相关性都比较小，说明加密效果比较好。

视频帧“Horse”加密前后的R通道的相关性如图4所示。

（3）密钥的安全性

密钥的安全性在媒体信息加密中无疑是非常重要的。本加密方案中，用到了空间域和FFT域的两个密钥K₁和K₂。K₁和K₂中的n(x,y)和b(ε,η)为大小与I帧一致的实数矩阵，其中x和y是空间域的坐标，ε和η是频域的坐标。n(x,y)和b(ε,η)的值是均匀分布在0到1的数，说明密钥空间很大。若其中任意一个密钥被修改了，会使解密出来的视频数据杂乱无规则，如图5所示。所以如果无法确定密钥的分布范围，窃听者将无法解密获得原始视频数据，证明了本方案密钥的安全性。

Claims (1)

1.基于双随机相位编码的视频加密方法，其特征在于包括以下步骤： 

步骤一，实现对视频流的加密； 

（1）提取视频的关键帧，即I帧，I帧R、G、B三通道的分量分别为： 

O_R＝f(x,y,0) 

O_G＝f(x,y,1) 

O_B＝f(x,y,2) 

其中，(x，y)代表I帧内像素点的空间坐标，“0、1、2”分别表示R、G、B三个分量； 

（2）利用密钥K₁在空间域分别对I帧的R、G、B三个通道数据进行加密；三个通道加密过程相同，加密后得到M_R、M_G、M_B： 

M_R=O_R.*K₁

M_G=O_G.*K₁

M_B=O_B.*K₁

其中，密钥K₁＝e^j2πn(x,y)，x、y为对应通道像素的坐标，是0～1之间均匀分布的实数，n(x,y)为大小与I帧一致的实数矩阵，“.*”表示矩阵的点乘操作； 

（3）对M_R、M_G、M_B进行快速傅立叶变换操作，变换到频率域，得到FFT（M_R）、FFT（M_G）、FFT（M_B）； 

（4）利用密钥K₂在频率域对FFT（M_R）、FFT（M_G）、FFT（M_B）进行加密，得到M_1R、M_1G、M_1B： 

M_1R=FFT（M_R）.*K₂

M_1G=FFT（M_G）.*K₂

M_1B=FFT（M_B）.*K₂

其中，密钥K₂＝e^j2πb(ε,η)，ε、η为对应通道的频域坐标，是0～1之间均匀分布的实数，b(ε,η)为大小与I帧一致的实数矩阵； 

（5）对M_1R、M_1G、M_1B进行快速傅立叶逆变换操作，最终获得加密数据C_R、C_G、C_B； 

（6）将C_R、C_G、C_B合成加密帧C，最后将加密帧合成加密视频，C的R、G、B三个分量为： 

C(x,y,0)＝C_R

C(x,y,1)＝C_G

C(x,y,2)＝C_B

步骤二，实现对视频流的解密过程，具体方法如下： 

解密过程是加密过程的逆操作； 

（1）提取加密视频的关键帧I帧，I帧的R、G、B三通道分量为： 

C_R＝C(x,y,0) 

C_G＝C(x,y,1) 

C_B＝C(x,y,2) 

（2）利用密钥K′₂对C_R、C_G、C_B在频域执行解密操作得到M_R、M_G、M_B： 

M_R=FFT（C_R）.*K′₂

M_G=FFT（C_G）.*K′₂

M_B=FFT（C_B）.*K′₂

其中，密钥K′₂为加密密钥K₂的共轭矩阵； 

（3）利用密钥K′₁对M_R、M_G、M_B在空域执行解密操作得到明文数据O_R、O_G、O_B： 

O_R=IFFT（M_R）.*K′₁

O_G=IFFT（M_G）.*K′₁

O_B=IFFT（M_B）.*K′₁

其中，密钥K′₁为加密密钥K₁的共轭矩阵； 

（4）将O_R、O_G、O_B合成为明文帧O，再将明文帧合成明文视频，公式如下： 

O(x,y,0)＝O_R

O(x,y,1)＝O_G。 

O(x,y,2)＝O_B。