CN110381337B - 一种基于混沌密码理论的不兼容视频编码的视频加密方法 - Google Patents

一种基于混沌密码理论的不兼容视频编码的视频加密方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于混沌密码理论的不兼容视频编码的视频加密方法，将视频文件分为视频流和音频流：把视频流看作一帧帧图像，加密基于2D Arnold Cat映射、DNA编码技术和Lorenz超混沌系统，对图像的Y、Cb和Cr通道采用不同的加密方法；音频流加密使用Logistic映射。将视频流看作普通的图像数据进行加密，与兼容视频编码的加密算法选择性加密视频中的敏感信息相比，增强了安全性；采用了高维混沌加密，可以抵抗穷举攻击；加密后的图像自动合成视频，完善了传统不兼容视频编码加密算法加密视频后不能播放的缺点。本发明可以有效抵抗强力攻击、统计攻击和相关攻击等多种攻击。

Description

一种基于混沌密码理论的不兼容视频编码的视频加密方法
技术领域
本发明是一种基于混沌密码理论的不兼容视频编码的视频加密方法，属于视频加密领域。
背景技术
当前以计算随着计算机技术和网络技术的蓬勃发展，多媒体数据在网络和日常生活中日益普及和应用。但由于网络的开放性和匿名性，数字电视、视频点播、视频通话等视频流很容易受到人为攻击，关于视频文件的安全问题一直是近年来的研究重点和难点。
按照加密算法是否兼容视频编码过程，将现有的视频加密算法分为两种类型：一种是不兼容视频编码的加密算法，另一种是兼容视频编码的加密算法。本文在混沌密码映射的基础上，提出了一种基于不兼容视频编码的视频加密方案，即将视频流看做一帧帧普通的图像进行加密，对于音频流的处理采用Logistic映射进行加密。
本发明将视频流看作普通的图像数据进行加密，与兼容视频编码的加密算法选择性加密视频中的敏感信息相比，增强了安全性；加密后的图像自动合成视频，完善了传统不兼容视频编码加密算法加密视频后视频不能播放的缺点；由于基于混沌的加密算法对密钥极度敏感，稍微更改系统参数或初值，就会导致解密失败，无法复原原图，且本方法采用了高维混沌加密，加密的密钥空间足够大，在有限的时间内无法通过详细搜索获得密钥，因而可以有效抵抗暴力攻击。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于混沌密码理论的不兼容视频编码的视频加密方法，将视频流看做普通的图像数据进行加密，与兼容视频编码的加密算法选择性加密视频中的敏感信息相比，增强了安全性；采用了高维混沌加密，可以抵抗穷举攻击；加密后的图像自动合成视频，完善了传统不兼容视频编码加密算法加密视频后不能播放的缺点。
本发明的技术解决方案：基于混沌密码理论的不兼容视频编码的视频加密方法，其特征在于，将视频文件分为视频流和音频流，把视频流看作一帧帧图像，加密基于DNA编码技术和Lorenz超混沌系统，对图像的Y、Cb和Cr通道采用不同的加密方法，并用2D ArnoldCat映射和Logistic映射进一步进行像素值的置乱和替换；音频流加密使用Logistic映射，具体如下：
视频流加密：首先对视频文件进行预处理，将视频流文件按照每秒24帧分成了若干张图片，再对图片进行填充黑边处理，使之成为正方形图；之后利用YCbCr颜色空间对图像进行加密，对Y通道采用Arnold变换和DNA编码算法进行加密，对Cb和Cr通道使用Lorenz超混沌映射进行加密。
音频流加密：使用Logistic混沌映射对音频流进行加密，用Logistic映射生成与原音频流相同长度的数据，将[0,1]之间的混沌序列扩大10倍之后保存在文本文件中，将生成的混沌数组数据与原音频流数据相加得到加密音频流。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)加密后的图像可以自动合成视频，完善了传统不兼容视频编码加密算法在加密视频后不能播放的缺点。
(2)将视频流看作普通的图像数据进行加密，与兼容视频编码的加密算法选择性加密视频中的敏感信息相比，增强了安全性。
(3)采用了高维混沌加密，加密的密钥空间足够大，达到了2.56×1059，在有限的时间内无法通过详细搜索获得密钥，因而可以抵抗暴力攻击。
(4)由于基于混沌的加密算法对密钥极度敏感，稍微更改系统参数或初值，就会导致解密失败，无法复原原图，可有效抵御暴力攻击。
附图说明
图1为本发明加密流程图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，先对一些基本概念进行一下解释说明。
1、Logistic映射：
Logistic映射是研究动力系统、混沌、分形等复杂系统行为的一个经典模型，按照如下方程(1)进行反复迭代：
x(t+1)＝μx(t)(1-x(t)) (1)
t为迭代时间步，为保证任意次迭代得到的x(t)始终位于[0，1]内，则μ∈[0,4]。
2、Arnold Cat映射
在数学中，Arnold Cat映射是以弗拉基米尔·阿诺德命名的，他使用猫的图像在20世纪60年代证明了它的效果，因此而得名。Arnold Cat变换用于混洗彩色图像的像素值位置，而并不能更改图像像素的值。即通过Arnold Cat映射进行像素位置的变换，通过置乱的方式进行图像的加密。公式(2)用于图像加密。
Figure BDA0002190786100000031
在解密的过程中，则使用变换矩阵的逆矩阵
Figure BDA0002190786100000032
实现解密。其中a＝b＝1，迭代次数k＝100。
3、DNA编码技术
DNA是一种由脱氧核苷酸作为基本单位的高分子化合物，脱氧核苷酸由三部分组成,分别为一分子的磷酸、一分子的脱氧核糖和一分子的含氮碱基。含氮碱基共有4种类型，分别是A-腺嘌呤、G-鸟嘌呤、C-胞嘧啶和T-胸腺嘧啶,其中A与T，G与C两两互补。彩色图像的每一位像素点可用8bit的二进制数表示，如果用4个脱氧核苷酸A、T、G和C分别地去表示二进制数，则满足DNA碱基之间互补关系的编码种类为8种，这8种编码组合如表1所示。
表1 DNA编码规则
00-A 00-A 00-C 00-C 00-G 00-G 00-T 00-T
01-C 01-G 01-A 01-T 01-A 01-T 01-C 01-G
10-G 10-C 10-T 10-A 10-T 10-A 10-G 10-C
11-T 11-T 11-G 11-G 11-C 11-C 11-A 11-A
表1 DNA编码规则
0 1 2 3 4 5 6 7
00-A 00-A 00-C 00-C 00-G 00-G 00-T 00-T
01-C 01-G 01-A 01-T 01-A 01-T 01-C 01-G
10-G 10-C 10-T 10-A 10-T 10-A 10-G 10-C
11-T 11-T 11-G 11-G 11-C 11-C 11-A 11-A
对混沌矩阵的编码进行求补的规则：为0时，编码不变；为1时，A与T互为补集，C与G互为补集。DNA编码的运算法如表2所示。
对混沌矩阵的编码进行求补的规则：为0时，编码不变；为1时，A与T互为补集，C与G互为补集。以规则0为例，DNA编码的加法运算法如表2所示。
表2 DNA编码运算法则
A G C T
A C G A T
G G C T A
C A T C G
T T A G C
表2规则0的DNA编码加法运算法则
A G C T
A A G C T
G G A T C
C C T G A
T T C A G
4、Lorenz超混沌系统
超混沌Lorenz系统在Lorenz混沌系统的基础上引入了新的变量w，更加增强了复杂性。
Lorenz系统的动力学方程式为：
Figure BDA0002190786100000041
本发明整个实现过程如下：
本发明在上述混沌密码映射和DNA编码的基础上，实现了对视频文件的加密，加密流程如图1所示。
1.视频流加密流程
1.1视频预处理：
(1)视频流分帧
由于人在一秒中感光24帧图像，大脑神经就会当作连续不间断的画面来处理。所以，本文在实现过程中默认将视频流文件按照每秒24帧分成了若干张图片。
(2)图像处理
由于加密过程中需要在方阵下进行，故在对图像分帧后，需要根据原图像尺寸，对原图像做填充黑边处理变为正方形图，这样不会由于拉伸和放缩而失去图像的信息。解密后对图像裁去原先填充的黑边得到解密图像。
1.2图像加密：
对彩色图像加密而言，除了RGB空间外，其他诸如HSV，L*a*b*，YCbCr等颜色空间没有被充分挖掘和利用。本发明利用YCBCr颜色空间进行图像加密，其中Y通道(亮度分量)信息量较大，Cb(蓝色色度分量)和Cr(红色色度分量)信息量较少，故设计了对Y通道与Cb、Cr通道采用不同强度加密算法的加密方案。对Y通道采用Arnold变换和DNA编码算法进行加密，对Cb和Cr通道使用Lorenz超混沌映射进行加密。
(1)Y通道
Y通道的Arnold加密变换可以通过迭代来改变原图像素点的位置。加密过程中迭代次数选取为100，变换后的位置若大于图像矩阵的长宽，则进行模运算，使变换后的位置符合范围要求。
Y通道在进行Arnold加密变换之后，使用DNA编码算法进行进一步置乱，具体流程如下：
(a)将经过Arnold处理后的图像进行DNA编码，连续的00编码为C，01编码为A，10编码为G，11编码为T。
(b)利用Logistic映射生成混沌矩阵，x(t+1)＝μx(t)(1-x(t))，其中μ＝3.99，x(0)＝0.62。将[0，1]之间的混沌序列乘以十的次幂，取小数点后十位，并模10得到0～9之间的数，并以5为分界线，转化为0、1序列。
(c)将生成的混沌矩阵按照相同的原则进行DNA编码。
(d)对混沌矩阵的编码求补，为0时，编码情况不变；为1时，A与T互为补集，C与G互为补集。
(e)利用DNA编码运算法则进行运算。
(2)Cb通道和Cr通道
Cb通道和Cr通道的加密使用了Lorenz超混沌系统进行置乱和像素值的替换。首先，利用Lorenz超混沌系统的动力学方程生成混沌序列，运用差分的方法得到x、y和z的序列值：
K11＝a*(y0-x0)+w0
K12＝a*(y0-(x0+K11*h/2))+w0
K13＝a*(y0-(x0+K12*h/2))+w0
K14＝a*(y0-(x0+K13*h/2))+w0
x1＝x0+(K11+K12+K13+K14)*h/6
将初值x0、y0、z0和w0的值带入到Lorenz方程中，得到了导数K11，将该处的导数乘以步长(0.001)并与x0相加，得到下一个位置的x值，继续求得该处导数，反复求得四次导数。将四次求得的导数取平均，最终得到下一个点的x值。按照相同的方式循环得到y、z和w的序列值，并将其保存在变量中。并在每3000次迭代后对混沌状态x0进行小的扰动。
在置乱方案中，利用Lorenz超混沌系统生成的混沌序列。通过进行模运算，使其序列值在[0，255]范围内，并与原像素值异或。再利用Logistic映射生成混沌序列，与图像矩阵像素值进行再次异或。
得到加密后的图像帧后，合成视频流并与加密音频合成为加密视频。
2.音频流加密流程
本方案使用Logistic混沌映射进行音频加密。加密过程主要分为下述几个部分：
(1)获取原视频中音频流；
(2)读取音频流数据并保存在文本文件中；
(3)用Logistic映射生成与原音频流相同长度的数据，将[0，1]之间的混沌序列扩大10倍后保存在文本文件中。Logistic映射函数为x(t+1)＝μx(t)(1-x(t))，其中μ＝3.9，x(0)＝0.62；
(4)将生成的混沌数组数据与原音频流的数据相加进行加密；
(5)将加密后的音频数据写成新的音频流。
本发明未详细描述的部分属于本领域公知技术。

Claims (1)

1.一种基于混沌密码理论的不兼容视频编码的视频加密方法，其特征在于：将视频文件分为视频流和音频流，分别进行视频流和音频流；把视频流看作一帧帧图像，加密基于2DArnold Cat映射、DNA编码技术和Lorenz超混沌系统，对图像的Y、Cb和Cr通道采用不同的加密方法；音频流加密使用Logistic映射；具体如下：
视频流加密：首先对视频文件进行预处理，将视频流文件按照每秒24帧分成了若干张图片，再对图片进行填充黑边处理，使之成为正方形图；再利用YCbCr颜色空间对图像进行加密，对Y通道采用Arnold变换和DNA编码算法进行加密，对Cb和Cr通道使用Lorenz超混沌映射进行加密；
音频流加密：使用Logistic混沌映射对音频流进行加密，用Logistic映射生成与原音频流相同长度的数据，将[0,1]之间的混沌序列扩大10倍之后保存在文本文件中，将生成的混沌数组数据与原音频流数据相加得到加密音频流；
所述对Y通道采用Arnold变换和DNA编码算法进行加密，对Cb和Cr通道使用Lorenz超混沌映射进行加密具体过程如下：
(1)Y通道
Y通道的Arnold加密变换通过迭代来改变原图像素点的位置，变换后的位置若大于图像矩阵的长宽，则进行模运算，使变换后的位置符合范围要求；
Y通道在进行Arnold加密变换之后，使用DNA编码算法进行进一步置乱，具体流程如下：
(a)将经过Arnold处理后的图像进行DNA编码，连续的00编码为C，01编码为A，10编码为G，11编码为T；
(b)利用Logistic映射生成混沌矩阵，x(t+1)＝μx(t)(1-x(t))，将[0，1]之间的混沌序列乘以十的次幂，取小数点后十位，并模10得到0～9之间的数，转化为0、1序列；
(c)将生成的混沌矩阵按照相同的原则进行DNA编码；
(d)对混沌矩阵的编码求补，为0时，编码情况不变；为1时，A与T互为补集，C与G互为补集；
(e)利用DNA编码运算法则进行运算；
(2)Cb通道和Cr通道；
Cb通道和Cr通道的加密使用了Lorenz超混沌系统进行置乱和像素值的替换，首先，利用Lorenz超混沌系统的动力学方程生成混沌序列，运用差分的方法得到x、y和z的序列值：
K11＝a*(y0-x0)+w0
K12＝a*(y0-(x0+K11*h/2))+w0
K13＝a*(y0-(x0+K12*h/2))+w0
K14＝a*(y0-(x0+K13*h/2))+w0
x1＝x0+(K11+K12+K13+K14)*h/6
将初值x0、y0、z0和w0的值带入到Lorenz方程中，得到了导数K11，将该处的导数乘以步长0.001并与x0相加，得到下一个位置的x值，继续求得该处导数K12，反复求得导数K13、K14，将求得的导数取平均，最终得到下一个点的值x1；按照相同的方式循环得到y、z和w的序列值，并将其保存在变量中，并在迭代后对混沌状态x0进行小的扰动；
在置乱方案中，利用Lorenz超混沌系统生成的混沌序列，通过进行模运算，使其序列值在[0，255]范围内，并与原像素值异或；再利用Logistic映射生成混沌序列，与图像矩阵像素值进行再次异或；
得到加密后的图像帧后，自动合成视频流并与加密音频合成为加密视频。
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