CN108768606B - 基于视频传输的流媒体实时加密方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于视频传输的流媒体实时加密方法及系统，方法包括以下步骤：(1)将编码后的视频分块，(2)将每个视频分块通过加密转化为密文块，加密过程包括将Chebyshev映射的初始值和控制参数作为次密钥，以Chebyshev为主密钥产生映射，进行迭代产生混沌序列密钥，将Tent映射的初始值和常数作为次密钥，以Tent为次密钥产生映射，进行迭代产生混沌序列密钥；将上述混沌序列密钥分别进行按位异或运算生成中间密钥；之后通过上述中间密钥按位异或生成终极密钥；将终极密钥带入AES算法进行加密形成密文块；(3)将步骤(2)产生所有密文块结合构成最终的密文。本发明提高了实时视频加密的安全性，改善了流媒体数据的加密效果。

Description

基于视频传输的流媒体实时加密方法及系统
技术领域
本发明涉及流媒体加密技术领域，具体而言，涉及一种基于视频传输的流媒体信息的加密方法及系统。
背景技术
流媒体又叫流式媒体，它是指商家用一个视频传送服务器把节目当成数据包发出，传送到网络上，用户通过解压设备对这些数据进行解压后，节目就会像发送前那样显示出来。从多媒体文件或实时的多媒体数据流中所含的信息来看，大部分数据都是视频信息。
近年来随着数字视频的广泛普及，数字视频的网络应用已经步入了新的阶段。在网络上每天有着成千上万的数字视频在传播着，因此，如何保护这些数字视频的安全性显得尤为重要。目前，现有技术中主要通过加密手段实现数字视频安全性的保护。视频数据区别于其他视频的特点在于，视频数据的数据量较大，因此对于加密方法的加密效率要求较高。现有的加密方法普遍采用AES加密算法，AES加密算法相对于以往的DES加密算法来说运算速度更快，但是AES加密算法由于其密钥唯一性造成了AES加密算法在安全性上的不足，致使流媒体加密效果不够理想。
发明内容
本发明的主要目的在于提供基于视频传输的流媒体实时加密方法及系统，以解决现有技术中视频加密效果不理想的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种基于视频传输的流媒体实时加密方法，该方法包括以下步骤：
(1)将编码后的视频分块，
(2)将每个视频分块通过加密转化为密文块，加密过程包括以下步骤：
1)将Chebyshev映射的初始值和控制参数作为次密钥，以Chebyshev为主密钥产生映射，进行迭代产生混沌序列密钥，将Tent映射的初始值和常数作为次密钥，以Tent为次密钥产生映射，进行迭代产生混沌序列密钥；
2)将上述混沌序列密钥分别进行按位异或运算生成中间密钥；
3)之后通过上述中间密钥按位异或生成终极密钥；
4)将终极密钥带入AES算法进行加密形成密文块；
5)之后重返步骤1)-4)继续产生新的密文块直至全部视频加密完成；
(3)将步骤(2)产生的所有密文块结合构成最终的密文。本发明利用Chebyshev映射以及Tent映射的结合，将Chebyshev映射作为主映射，Tent映射作为次映射，由此对AES加密算法的密钥进行动态混沌变化，大大提高了加密方法的安全性，Tent映射在对视频这样的大数量级数据序列进行运算处理时也大大提高了运算处理效果。
进一步地，在步骤4)中选择对视频的亮度块、运动矢量差分、色度块、残差块进行加密。对亮度块、运动矢量差分、色度块、残差块采用异或运算，计算量小，并且不会影响到压缩比。
进一步地，所述亮度块加密为4X4子块加密或16X16宏块加密。
进一步地，Chebyshev映射产生混沌序列的过程如下：
Chebyshev映射定义为Xn+1＝cos(kcos-1(Xn)),Xn∈{-1,1}
其中，k为Chebyshev映射的阶数，当k大于2时，映射进入混沌状态，给定一个初值，对映射方程进行N次迭代，即产生长度为N的混沌序列。
进一步地，Tent映射产生混沌序列的过程如下：
(a)
Tent映射定义为
Figure GDA0003143402230000021
Tent映射经过贝努利移位变换后即为：
Xn+1＝g(Xn)＝1-2|Xk-0.5|
取初始值X0记入标志组Z，Z(1)＝X0，i＝j＝1；
(b)对以上述移位变换后的Tent映射进行迭代，i自增1，产生X序列；
(c)如果迭代达到最大次数，则到步骤4终止运行；否则，如果X(i)＝{0,0.25,0.5,0.75}或X(i)＝X(i-K)，K＝{0,1,2,3,4}，则改变迭代初始值X(i)＝z(j+1)，j＝j+1，返回到步骤(b)；
(d)终止运行，保存X序列。
为了实现上述目的，根据本发明的另一个方面，还提供了一种基于视频传输的流媒体实时加密系统，该加密系统包括流媒体数据服务器、采用上述基于视频传输的流媒体实时加密方法加密的流媒体加密模块，密钥交换系统，传输网络，
所述流媒体数据服务器包括流媒体数据源以及系统数据库，所述流媒体数据源用于提供视频，所述系统数据库用于储存系统状态信息和系统管理信息，所述系统状态信息包括加密IP地址，加密负载，系统管理信息包括用户信息以及服务信息；
所述流媒体加密模块包括加密服务器群以及设置于加密服务器群内的密钥生成器，所述流媒体加密模块与流媒体数据服务器相连使得所述加密服务器的选择通过所述系统数据库中的加密负载匹配设置；
所述密钥交换系统用于媒体数据服务器与视频播放终端的连接；
所述传输网络用于流媒体加密模块与视频播放终端相连。
所述流媒体数据源包括视频库以及视频采集设备。
可见，本发明利用Chebyshev映射以及Tent映射的结合，将Chebyshev映射作为主映射，Tent映射作为次映射，由此对AES加密算法的密钥进行动态混沌变化，大大提高了加密方法的安全性，Tent映射在对视频这样的大数量级数据序列进行运算处理时也大大提高了运算处理效果。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来辅助对本发明的理解，附图中所提供的内容及其在本发明中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明基于视频传输的流媒体实时加密系统的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：
本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。
此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一分部的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
关于本发明中术语和单位。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”、“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。术语“MPEG”是指运动图像专家组，本发明中的实时MPEG流媒体是采用MPEG编码技术编码的动态图像。“AES”算法是指高级加密标准，AES为分组密码，分组密码也就是把明文分成一组一组的，每组长度相等，每次加密一组数据，直到加密完整个明文。在AES标准规范中，分组长度只能是128位，也就是说，每个分组为16个字节(每个字节8位)。密钥的长度可以使用128位、192位或256位。
本发明基于视频传输的流媒体实时加密方法包括以下步骤：
(1)将编码后的视频分块；
(2)将每个视频分块通过加密转化为密文块，加密过程包括以下步骤：
1)将Chebyshev映射的初始值和控制参数作为次密钥，以Chebyshev为主密钥产生映射，进行迭代产生混沌序列密钥，将Tent映射的初始值和常数作为次密钥，以Tent为次密钥产生映射，进行迭代产生混沌序列密钥；
2)将上述混沌序列密钥分别进行按位异或运算生成中间密钥；
3)之后通过上述中间密钥按位异或生成终极密钥；
4)将终极密钥带入AES算法进行加密形成密文块，通过向AES加密函数中输入密钥以及明文，将明文加密为密文。选择对视频的亮度块、运动矢量差分、色度块、残差块进行加密。对亮度块、运动矢量差分、色度块、残差块采用异或运算，计算量小，并且不会影响到压缩比。AES算法加密过程包括字节代换、行位移、列混合和轮密钥加。所述亮度块加密为4X4子块加密或16X16宏块加密。
5)之后重返步骤1)-4)继续产生新的密文块直至全部视频加密完成；
(3)将步骤(2)产生的所有密文块结合构成最终的密文。本发明利用Chebyshev映射以及Tent映射的结合，将Chebyshev映射作为主映射，Tent映射作为次映射，由此对AES加密算法的密钥进行动态混沌变化，大大提高了加密方法的安全性，Tent映射在对视频这样的大数量级数据序列进行运算处理时也大大提高了运算处理效果。
Chebyshev映射产生混沌序列的过程如下：
Chebyshev映射定义为Xn+1＝cos(kcos-1(Xn)),Xn∈{-1,1}
其中，k为Chebyshev映射的阶数，当k大于2时，映射进入混沌状态，给定一个初值，对映射方程进行N次迭代，就可产生长度为N的混沌序列。
(a)
Tent映射定义为
Figure GDA0003143402230000041
Tent映射经过贝努利移位变换后即为：
Xn+1＝g(Xn)＝1-2|Xk-0.5|
取初始值X0记入标志组Z，Z(1)＝X0，i＝j＝1；
(b)对以上述移位变换后的Tent映射进行迭代，i自增1，产生X序列；
(c)如果迭代达到最大次数，则到步骤4终止运行；否则，如果X(i)＝{0,0.25,0.5,0.75}或X(i)＝X(i-K)，K＝{0,1,2,3,4}，则改变迭代初始值X(i)＝z(j+1)，j＝j+1，返回到步骤(b)；
(d)终止运行，保存X序列。以下通过两组实时MPEG流媒体加密试验对本发明基于视频传输的流媒体实时加密方法进行进一步阐述。
试验1：采用本发明基于视频传输的流媒体实时加密方法对实时MPEG流媒体进行加密。
试验2：采用现有技术中的AES加密方法对实时MPEG流媒体进行加密。
通过选取试验1中tent映射产生的一组混沌序列和试验2所得序列进行对比，检验两组试验的密钥敏感性，试验结果如表1：
表1
Figure GDA0003143402230000051
有上述表1可知，采用本发明基于视频传输的流媒体实时加密方法的试验1相对于现有的AES加密方法大大提高了实时视频加密的安全性，保证了密钥空间足够大，改善了视频加密方法的初值敏感性，提高了视频加密方法的执行效率。
如图1所示，本发明还提供了一种基于视频传输的流媒体实时加密系统，包括流媒体数据服务器1、采用上述方法加密的流媒体加密模块3，密钥交换系统2，传输网络5，
所述流媒体数据服务器1包括流媒体数据源以及系统数据库，所述流媒体数据源用于提供视频，所述系统数据库用于储存系统状态信息和系统管理信息，所述系统状态信息包括加密IP地址，加密负载，系统管理信息包括用户信息以及服务信息；
所述流媒体加密模块3包括加密服务器群31以及设置于加密服务器群31内的密钥生成器310，所述流媒体加密模块3与流媒体数据服务器1相连使得所述加密服务器的选择通过所述系统数据库中的加密负载匹配设置；
所述密钥交换系统用于流媒体数据服务器1与视频播放终端4的连接；
所述传输网络5用于流媒体加密模块3与视频播放终端4相连。
所述流媒体数据源包括视频库以及视频采集设备。
以上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。基于本发明的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.基于视频传输的流媒体实时加密方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将编码后的视频分块；
(2)将每个视频分块通过加密转化为密文块，加密过程包括以下步骤：
1)将Chebyshev映射的初始值和控制参数作为主密钥，以Chebyshev为主密钥产生映射，进行迭代产生混沌序列密钥，将Tent映射的初始值和常数作为次密钥，以Tent为次密钥产生映射，进行迭代产生混沌序列密钥；
Chebyshev映射产生混沌序列的过程如下：
Chebyshev映射定义为Xn+1＝cos(kcos-1(Xn)),Xn∈{-1,1}
其中，k为Chebyshev映射的阶数，当k大于2时，映射进入混沌状态，给定一个初值，对映射方程进行N次迭代，即产生长度为N的混沌序列；
Tent映射产生混沌序列的过程如下：
(a)
Tent映射定义为
Figure FDA0003143402220000011
Tent映射经过贝努利移位变换后即为：
Xn+1＝g(Xn)＝1-2|Xk-0.5|
取初始值X0记入标志组Z，Z(1)＝X0，i＝j＝1；
(b)对以上述移位变换后的Tent映射进行迭代，i自增1，产生X序列；
(c)如果迭代达到最大次数，则到步骤(b)终止运行；否则，如果X(i)＝{0,0.25,0.5,0.75}或X(i)＝X(i-K)，K＝{0,1,2,3,4}，则改变迭代初始值X(i)＝z(j+1)，j＝j+1，返回到步骤(b)；
(d)终止运行，保存X序列；
2)将上述混沌序列密钥分别进行按位异或运算生成中间密钥；
3)通过上述中间密钥按位异或生成终极密钥；
4)将终极密钥带入AES算法进行加密形成密文块，选择对视频的亮度块、运动矢量差分、色度块、残差块进行加密；
5)之后重返步骤1)-4)继续产生新的密文块直至全部视频加密完成；
(3)将步骤(2)产生的所有密文块结合构成最终的密文。
2.如权利要求1所述的基于视频传输的流媒体实时加密方法，其特征在于，所述亮度块加密为4X4子块加密或16X16宏块加密。
3.基于视频传输的流媒体实时加密系统，其特征在于，包括流媒体数据服务器(1)、采用上述权利要求1-2中任意一项权利要求中的方法加密的流媒体加密模块(3)，密钥交换系统(2)，传输网络(5)，所述流媒体数据服务器(1)包括流媒体数据源以及系统数据库，所述流媒体数据源用于提供视频，所述系统数据库用于储存系统状态信息和系统管理信息，所述系统状态信息包括加密IP地址，加密负载，系统管理信息包括用户信息以及服务信息；
所述流媒体加密模块(3)包括加密服务器群(31)以及设置于加密服务器群(31)内的密钥生成器(310)，所述流媒体加密模块(3)与流媒体数据服务器(1)相连使得所述加密服务器的选择通过所述系统数据库中的加密负载匹配设置；
所述密钥交换系统(2)用于流媒体数据服务器(1)与视频播放终端(4)的连接；
所述传输网络(5)用于流媒体加密模块(3)与视频播放终端(4)相连。
4.如权利要求3所述的基于视频传输的流媒体实时加密系统，其特征在于，所述流媒体数据源包括视频库以及视频采集设备。
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