CN110677694A - 一种用于抵抗轮廓攻击的视频加密方法 - Google Patents
一种用于抵抗轮廓攻击的视频加密方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110677694A CN110677694A CN201910976296.3A CN201910976296A CN110677694A CN 110677694 A CN110677694 A CN 110677694A CN 201910976296 A CN201910976296 A CN 201910976296A CN 110677694 A CN110677694 A CN 110677694A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- sequence
- frame
- chaotic
- current frame
- video
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 52
- 230000000739 chaotic effect Effects 0.000 claims abstract description 69
- 238000013507 mapping Methods 0.000 claims abstract description 17
- 238000001218 confocal laser scanning microscopy Methods 0.000 claims abstract description 4
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 7
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 7
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 7
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 claims description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 6
- 238000012163 sequencing technique Methods 0.000 claims description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 101100136092 Drosophila melanogaster peng gene Proteins 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000013139 quantization Methods 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 2
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N21/00—Selective content distribution, e.g. interactive television or video on demand [VOD]
- H04N21/20—Servers specifically adapted for the distribution of content, e.g. VOD servers; Operations thereof
- H04N21/23—Processing of content or additional data; Elementary server operations; Server middleware
- H04N21/234—Processing of video elementary streams, e.g. splicing of video streams or manipulating encoded video stream scene graphs
- H04N21/2347—Processing of video elementary streams, e.g. splicing of video streams or manipulating encoded video stream scene graphs involving video stream encryption
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N19/00—Methods or arrangements for coding, decoding, compressing or decompressing digital video signals
- H04N19/10—Methods or arrangements for coding, decoding, compressing or decompressing digital video signals using adaptive coding
- H04N19/169—Methods or arrangements for coding, decoding, compressing or decompressing digital video signals using adaptive coding characterised by the coding unit, i.e. the structural portion or semantic portion of the video signal being the object or the subject of the adaptive coding
- H04N19/17—Methods or arrangements for coding, decoding, compressing or decompressing digital video signals using adaptive coding characterised by the coding unit, i.e. the structural portion or semantic portion of the video signal being the object or the subject of the adaptive coding the unit being an image region, e.g. an object
- H04N19/176—Methods or arrangements for coding, decoding, compressing or decompressing digital video signals using adaptive coding characterised by the coding unit, i.e. the structural portion or semantic portion of the video signal being the object or the subject of the adaptive coding the unit being an image region, e.g. an object the region being a block, e.g. a macroblock
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N19/00—Methods or arrangements for coding, decoding, compressing or decompressing digital video signals
- H04N19/46—Embedding additional information in the video signal during the compression process
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N19/00—Methods or arrangements for coding, decoding, compressing or decompressing digital video signals
- H04N19/60—Methods or arrangements for coding, decoding, compressing or decompressing digital video signals using transform coding
- H04N19/625—Methods or arrangements for coding, decoding, compressing or decompressing digital video signals using transform coding using discrete cosine transform [DCT]
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N19/00—Methods or arrangements for coding, decoding, compressing or decompressing digital video signals
- H04N19/70—Methods or arrangements for coding, decoding, compressing or decompressing digital video signals characterised by syntax aspects related to video coding, e.g. related to compression standards
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N19/00—Methods or arrangements for coding, decoding, compressing or decompressing digital video signals
- H04N19/85—Methods or arrangements for coding, decoding, compressing or decompressing digital video signals using pre-processing or post-processing specially adapted for video compression
- H04N19/88—Methods or arrangements for coding, decoding, compressing or decompressing digital video signals using pre-processing or post-processing specially adapted for video compression involving rearrangement of data among different coding units, e.g. shuffling, interleaving, scrambling or permutation of pixel data or permutation of transform coefficient data among different blocks
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N21/00—Selective content distribution, e.g. interactive television or video on demand [VOD]
- H04N21/20—Servers specifically adapted for the distribution of content, e.g. VOD servers; Operations thereof
- H04N21/25—Management operations performed by the server for facilitating the content distribution or administrating data related to end-users or client devices, e.g. end-user or client device authentication, learning user preferences for recommending movies
- H04N21/266—Channel or content management, e.g. generation and management of keys and entitlement messages in a conditional access system, merging a VOD unicast channel into a multicast channel
- H04N21/26613—Channel or content management, e.g. generation and management of keys and entitlement messages in a conditional access system, merging a VOD unicast channel into a multicast channel for generating or managing keys in general
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N21/00—Selective content distribution, e.g. interactive television or video on demand [VOD]
- H04N21/40—Client devices specifically adapted for the reception of or interaction with content, e.g. set-top-box [STB]; Operations thereof
- H04N21/43—Processing of content or additional data, e.g. demultiplexing additional data from a digital video stream; Elementary client operations, e.g. monitoring of home network or synchronising decoder's clock; Client middleware
- H04N21/44—Processing of video elementary streams, e.g. splicing a video clip retrieved from local storage with an incoming video stream or rendering scenes according to encoded video stream scene graphs
- H04N21/4408—Processing of video elementary streams, e.g. splicing a video clip retrieved from local storage with an incoming video stream or rendering scenes according to encoded video stream scene graphs involving video stream encryption, e.g. re-encrypting a decrypted video stream for redistribution in a home network
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Computer Security & Cryptography (AREA)
- Databases & Information Systems (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Discrete Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Compression Or Coding Systems Of Tv Signals (AREA)
Abstract
本发明公开了一种用于抵抗轮廓攻击的视频加密方法，包括：接收待加密的视频，对所述视频的比特流进行解码；将当前帧的宏块划分为四个区域，每个区域内的宏块分别组成一维的宏块序列；利用混沌映射将宏块序列置乱；使用2D‑LSCM生成与当前帧非零DCT系数个数相等的混沌序列，将所述混沌序列和DCT系数的符号位进行异或运算加密；对待加密视频中经加密操作改变的宏块的语法元素进行部分重编码，得到加密的视频比特流，完成加密。由于本发明利用优化设计的宏块置乱实现加密，能够有效抵抗现有的各种类型的轮廓攻击。同时，本方法的加密密钥与待加密视频帧非零DCT系数数量直方图相关，能有效抵抗已知明文攻击。
Description
技术领域
本发明涉及多媒体信息安全技术领域，具体涉及一种用于抵抗轮廓攻击的视频加密方法。
背景技术
随着数字视频处理技术的进步以及互联网的高速发展，视频作为一种包含丰富信息的载体获得了广泛的应用。因此，如何有效保护商业或个人视频通过公开信道传输或存储至云存储平台时的安全和隐私，越来越受到人们的重视。
视频加密是一种保护视频内容安全的常用方法。加密算法可以在密钥的控制下将一段明文视频转换为一段类似噪声的密文视频，从而使得只有拥有密钥的合法用户才能获取到视频的原始内容，而没有密钥的非法用户则只能获得杂乱无章的噪声内容。
H.264/AVC编码标准是如今应用最为广泛的一种视频编码标准，因此针对H.264/AVC视频的加密算法具有良好的应用价值。现有两种类型的策略来保护H.264/AVC视频，一种安全策略是用传统的加密算法加密整个视频流，被称为直接加密，例如使用和，但这会导致加密视频格式不兼容；另一种与H.264/AVC标准兼容的视频选择性加密近年得到了更多关注，已经提出了很多选择性加密的方法。目前已有的H.264/AVC视频加密算法普遍存在着无法抵抗各种类型的轮廓攻击的缺陷。
Minemura等人提出了一种针对格式兼容的H.264/AVC加密视频的轮廓攻击MBS(K.Minemura,K.Wong,R.C.W.Phan,and K.Tanaka,“A novel sketch attack for H.264/AVC format-compliant encrypted video,”IEEE Transactions on Circuits andSystems for Video Technology.,vol.27,no.11,pp.2309–2321,2017)，其核心思想是利用宏块编码比特数的差异性来攻击加密视频，从而生成与原视频相似的灰度轮廓图像。
Peng等人提出的基于加密帧内预测模式、运动矢量差值和DCT系数的H.264/AVC视频加密方法(F.Peng,X.-q.Gong,M.Long,and X.-m.Sun,“A selective encryptionscheme for protecting H.264/AVC video in multimedia social network,”Multimedia Tools and Applications,vol.76,no.3,pp.3235–3253,2017)和Ding等人提出的基于改变DCT系数扫描顺序的H.264/AVC视频加密方法(X.Ding,Y.Deng,G.Yang,Y.Song,D.He,and X.Sun,“Design of new scan orders for perceptual encryption ofH.264/AVC videos,”IET Information Security.,vol.11,no.2,pp.55–65,2017)均无法抵抗MBS轮廓攻击以及一些针对JPEG图像的传统轮廓攻击。此外这些加密方法的视觉效果也不够理想。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种能够抵抗轮廓攻击的用于抵抗轮廓攻击的视频加密方法。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种用于抵抗轮廓攻击的视频加密方法，包括：
S1，接收待加密的视频，对所述视频的比特流进行解码；
S2，获取解码后的每一帧视频图像的语法元素；
S3，对当前帧的帧类型进行判断；
S4，根据当前帧的帧类型从所述语法元素中提取与帧内容相关的参数；
S5，选择混沌映射f和对应的初始条件Ψ，得到初始的混沌映射f(Ψ)，其中初始条件Ψ作为种子密钥，再根据提取的参数以及种子密钥生成自适应的加密密钥，得到与当前帧内容相关的混沌映射；
S6，将当前帧的宏块划分为四个区域，每个区域内的宏块分别组成一维的宏块序列；
S7，利用混沌映射将宏块序列置乱；
S8，使用2D-LSCM生成与当前帧非零DCT系数个数相等的混沌序列，将所述混沌序列和DCT系数的符号位进行异或运算加密；
S9，对待加密视频中经加密操作改变的宏块的语法元素进行部分重编码，得到加密的视频比特流，完成加密。
优选地，若当前帧的帧类型为I帧，则步骤S3-S7为：
S41，从所述语法元素中提取非零DCT系数的统计特征C、当前帧的帧序号F以及宏块数P，Pj表示一帧中I宏块中prev_intra4×4_pred_mode标志位为1的4×4子块数量为j(j＝0,1,...,16)的I宏块数，所有的pj组成宏块数p；
S51，选择混沌映射f，并选定初始条件Ψ作为种子密钥，得到初始的混沌映射f(Ψ)，再根据统计特征C、当前帧的帧序号F、宏块数P以及种子密钥生成自适应的加密密钥，得到与当前帧内容相关的混沌映射f(C,F,P|Ψ)；
S61，将当前帧的宏块划分为四个区域，每个区域内的宏块分别组成一维的宏块序列S0，S1，S2和S3；
S71，利用与帧内容相关的混沌映射f(C,F,P|Ψ)对宏块序列S1进行混沌迭代，生成长度与宏块序列S1的元素个数相等的混沌序列；对所述混沌序列的元素按照大小进行排序，记录已排序序列中的随机数在原始序列中的位置，将所有的位置数形成一个新序列；
S81，利用所述新序列分别对S1内部的宏块置乱；
S91，重复执行步骤S71-S81，完成对S2和S3的宏块置乱。
优选地，步骤S51的再根据统计特征C、当前帧的帧序号F、宏块数P以及种子密钥生成自适应的加密密钥包括：
接收用户输入的大小为256比特的初始密钥K，将DCT系数的统计特征C、当前帧的帧序号F和宏块数P输入SHA3-256哈希函数，得到的256比特的哈希值，将所述哈希值和初始密钥K进行异或运算，得到密钥Kf；
其中，
根据密钥Kf＝(b1b2...b256)2，两组初始状态和
用于两轮排列，具体生成方法如下：
采用二维逻辑正弦耦合映射(LSCM)：
根据式(1)生成混沌序列
目标序列S＝(m1,m2,...,mL)使用该混沌序列
进行随机排列，从中提取
重新排列后的序列为
P为根据X值的排列操作，其中xt+ii≤xt+i2≤...≤xt+iL。
优选地，在步骤S61中宏块序列的划分方式为：
当前帧的第一个宏块构成S0；排除第一个宏块后，第一行的宏块按从左到右的顺序构成S1；排除第一个宏块后，第一列的宏块按从上到下的顺序构成S2；剩下的宏块按从左到右和从上到下的顺序构成S3。
优选地，在步骤S71中，迭代生成的随机数序列为(0.894，0.351，0.601，0.282，0.531)排序之后变为(0.282，0.351，0.531，0.601，0.894)，该已排序序列的随机数在原始序列中的位置依次是(4，2，5，3，1)，(4，2，5，3，1)为所生成的新序列；在步骤S81中，第一次取出第4个位置上的宏块，第二次取出第2个位置上的宏块，直至最后取出第1个位置上的宏块，此取出序列为置乱加密后的宏块顺序。
优选地，在步骤S8中将所述混沌序列和DCT系数的符号位进行异或运算加密的方式包括：
(a)若混沌序列中当前的随机数大于0.5且非零DCT系数大于0，则非零DCT系数取值为其绝对值的负数；
(b)若混沌序列中当前的随机数小于等于0.5且非零DCT系数小于0，则非零DCT系数取值为其绝对值的负数；
(c)除去(a)和(b)的其余情况非零DCT系数取值为其绝对值。
优选地，若当前帧的帧类型为P帧或B帧，则步骤S3-S7为：
S42，从所述语法元素中提取非零DCT系数的统计特征c、当前帧的帧序号F；
S52，选择混沌映射f，并选定初始条件Ψ作为种子密钥，得到初始的混沌映射f(Ψ)，再根据统计特征C、当前帧的帧序号F以及种子密钥生成自适应的加密密钥，得到与当前帧内容相关的混沌映射f(C,F|Ψ)；
S62，将当前帧的宏块划分为四个区域，其中前三个区域内的宏块分别组成一维的宏块序列S0，S1，S2，对于第四个区域，每个非skipped宏块都与它前面连续的K个skipped宏块组合在一起，每个组合都被描述为一个SRM对，所有的SRM对构成一维的SRM对序列S3，K>2；
S72，利用与帧内容相关的混沌映射f(C,F|Ψ)对宏块序列S1进行混沌迭代，生成长度与S1序列元素个数相等的混沌序列；对所述混沌序列的元素按照大小进行排序，记录已排序序列中的随机数在原始序列中的位置，将所有的位置数形成一个新序列；
S82，利用所述新序列分别对S1内部的宏块置乱；
S92，重复执行步骤S72-S82，完成对S2的宏块置乱；
S102，先排除S1和S2中的I宏块，然后以S1在前，S2在后的顺序，将S1和S2序列串联起来，从而构造出新的序列Sni，重复执行步骤S72-S82，完成对Sni的宏块置乱；
S112，重复执行步骤S72-S82，完成S3的SRM对置乱；
S113，重新扫描当前帧的所有宏块，并修改语法元素mb_skip_run的值以匹配每个非skipped宏块前面连续的skipped宏块个数。
优选地，步骤S52再根据统计特征C、当前帧的帧序号F以及种子密钥生成自适应的加密密钥包括：
接收用户输入的大小为256比特的初始密钥K，将DCT系数的统计特征C、当前帧的帧序号F输入SHA3-256哈希函数，得到的256比特的哈希值，将所述哈希值和初始密钥K进行异或运算，得到密钥Kf；
其中，
根据密钥Kf＝(b1b2...b256)2，两组初始状态
和
用于两轮排列，具体生成方法如下：
采用二维逻辑正弦耦合映射(LSCM)：
根据式(1)生成混沌序列
目标序列S＝(m1,m2,...,mL)使用该混沌序列进行随机排列，从中提取
重新排列后的序列为
P为根据X值的排列操作，其中xt+ii≤xt+i2≤...≤xt+iL。
优选地，在步骤S62中宏块序列的划分方式为：当前帧的第一个宏块构成S0；排除第一个宏块后，第一行的宏块按从左到右的顺序构成S1；排除第一个宏块后，第一列的宏块按从上到下的顺序构成S2；剩下的宏块按从左到右从上到下的顺序先构成K个SRM对，然后将K个SRM对构成S3。
优选地，所述非零DCT系数的统计特征C为当前帧的所有宏块的非零DCT数量属于区间[0，256]内每一个元素的宏块个数。
本发明相对于现有技术具有如下优点：
本方案所提出的H.264/AVC视频加密方法通过将图像帧的宏块划分为四个区域，每个区域内的宏块分别组成一维的宏块序列；利用混沌映射将宏块序列置乱；将所述混沌序列和DCT系数的符号位进行异或运算加密；由于本方案利用优化设计的宏块置乱实现加密，能够有效抵抗现有的各种类型的轮廓攻击。同时，本方法的加密密钥与待加密视频帧非零DCT系数数量直方图相关，即不同视频帧所采用的加密密钥不同，是一种自适应密钥的H.264/AVC视频加密方法，能有效抵抗已知明文攻击，而且密钥空间足够大，抗暴力攻击的安全性较好。
本方案所提出的H.264/AVC视频加密方法使用优化设计的宏块置乱以及非零DCT系数加密，在有效保存格式兼容性的基础上实现了对整个宏块的加密。相比之下，已有的相关方法通常仅仅加密宏块的一部分语法元素。因此，本方案通常可以实现更为优越的视觉加密效果，能够有效保护视频免于泄露个别的相关信息。
本方案所提出的H.264/AVC视频加密方法不依赖于编码过程的某个环节，尤其是不依赖与无损编码前的变换及量化等环节，因此同时适用于未经压缩和已经过压缩的视频。相比之下，一些现有方法与与无损编码前的变换及量化等环节具有强耦合的关系，导致只能应用于未经压缩的视频。因此，本方案具有更加良好的实际应用价值。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的用于抵抗轮廓攻击的视频加密方法的一流程示意图。
图2为本发明的用于抵抗轮廓攻击的视频加密方法的另一流程示意图。
图3为I帧宏块的分区域帧内置乱加密示意图。
图4为P/B帧宏块以及特殊宏块对SRM的帧内置乱加密示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参见图1-4、一种用于抵抗轮廓攻击的视频加密方法，包括：
S1，接收待加密的视频，对所述视频的比特流进行解码；所述待加密的视频为H.264/AVC视频，对H.264/AVC视频文件而言，它由一系列的网络抽象层单元(NALU)组成，每个网络抽象层单元(NALU)中包括NAL头和原始字节序列负荷(RBSP)，其中视频编码层(VCL)类型的NALU包含了编码的视频数据，通过VCL可以从中读出所需的视频相应信息。
S2，获取解码后的每一帧视频图像的语法元素；每一帧视频图像可以分为I帧、P帧和B帧，每一帧又可以划分为若干个16×16像素大小的宏块，宏块还可以进一步划分为子宏块。每个编码的宏块数据中包含了帧内预测模式、运动矢量差值和DCT系数等一系列与该宏块相关的语法元素。
S3，对当前帧的帧类型进行判断，
S4，根据当前帧的帧类型从所述语法元素中提取与帧内容相关的参数；
S5，选择混沌映射f和对应的初始条件Ψ，得到初始的混沌映射f(Ψ)，其中初始条件Ψ作为种子密钥，再根据提取的参数以及种子密钥生成自适应的加密密钥，得到与当前帧内容相关的混沌映射；
S6，将当前帧的宏块划分为四个区域，每个区域内的宏块分别组成一维的宏块序列；
S7，利用混沌映射将宏块序列置乱；
在本实施例，若当前帧的帧类型为I帧(帧内帧)，参见图2和图3，则步骤S3-S7为：
S41，从所述语法元素中提取非零DCT系数的统计特征C、当前帧的帧序号F以及宏块数P，Pj表示一帧中I宏块中prev_intra4×4_pred_mode标志位为1的4×4子块数量为j(j＝0,1,...,16)的I宏块数，所有的pj组成宏块数p；
其中，与帧内容相关的统计特征C是待加密帧所有宏块的非零DCT系数数量直方图，即非零DCT数量属于区间[0，256]内每一个元素的宏块个数；统计特征P记录了一帧中使用最可能预测模式的4×4子宏块数量相同的16×16宏块，且仅在帧内帧中记录。因为本方案所提出的H.264/AVC视频加密方法不会改变非零DCT系数数量的统计分布特性和帧内预测标志位之一prev_intra4×4_pred_mode，因此解密时可从密文视频中提取出相同的特征。
S51，选择混沌映射f，并选定初始条件Ψ作为种子密钥，得到初始的混沌映射f(Ψ)，再根据统计特征C、当前帧的帧序号F、宏块数P以及种子密钥生成自适应的加密密钥，得到与当前帧内容相关的混沌映射f(C,F,P|Ψ)；其中，再根据统计特征C、当前帧的帧序号F、宏块数P以及种子密钥生成自适应的加密密钥包括：
接收用户输入的大小为256比特的初始密钥K，将DCT系数的统计特征C、当前帧的帧序号F和宏块数P输入SHA3-256哈希函数，得到的256比特的哈希值，将所述哈希值和初始密钥K进行异或运算，得到密钥Kf；
其中，
根据密钥Kf＝(b1b2...b256)2，两组初始状态
和
用于两轮排列，具体生成方法如下：
采用二维逻辑正弦耦合映射(LSCM)：
根据式(1)生成混沌序列
目标序列S＝(m1,m2,...,mL)使用该混沌序列进行随机排列，从中提取
重新排列后的序列为
P为根据X值的排列操作，其中xt+ii≤xt+i2≤...≤xt+iL。
S61，将当前帧的宏块划分为四个区域，每个区域内的宏块分别组成一维的宏块序列S0，S1，S2和S3；其中，宏块序列的划分方式为：
当前帧的第一个宏块构成S0；排除第一个宏块后，第一行的宏块按从左到右的顺序构成S1；排除第一个宏块后，第一列的宏块按从上到下的顺序构成S2；剩下的宏块按从左到右和从上到下的顺序构成S3。
S71，利用与帧内容相关的混沌映射f(C,F,P|Ψ)对宏块序列S1进行混沌迭代，生成长度与宏块序列S1的元素个数相等的混沌序列；对所述混沌序列的元素按照大小进行排序，记录已排序序列中的随机数在原始序列中的位置，将所有的位置数形成一个新序列；
S81，利用所述新序列分别对S1内部的宏块置乱；举例，在步骤S71中，迭代生成的随机数序列为(0.894，0.351，0.601，0.282，0.531),排序之后变为(0.282，0.351，0.531，0.601，0.894)，该已排序序列的随机数在原始序列中的位置依次是(4，2，5，3，1)，(4，2，5，3，1)为所生成的新序列；在步骤S81中，第一次取出第4个位置上的宏块，第二次取出第2个位置上的宏块，直至最后取出第1个位置上的宏块，此取出序列为置乱加密后的宏块顺序。
S91，重复执行步骤S71-S81，完成对S2和S3的宏块置乱。
在本实施例，若当前帧的帧类型为P帧或B帧(帧间帧)，参见图2和图4，则步骤S3-S7为：
S42，从所述语法元素中提取非零DCT系数的统计特征C、当前帧的帧序号F；
S52，选择混沌映射f，并选定初始条件Ψ作为种子密钥，得到初始的混沌映射f(Ψ)，再根据统计特征C、当前帧的帧序号F以及种子密钥生成自适应的加密密钥，得到与当前帧内容相关的混沌映射f(C,F|Ψ)；其中，再根据统计特征C、当前帧的帧序号F以及种子密钥生成自适应的加密密钥包括：
接收用户输入的大小为256比特的初始密钥K，将DCT系数的统计特征C、当前帧的帧序号F输入SHA3-256哈希函数，得到的256比特的哈希值，将所述哈希值和初始密钥K进行异或运算，得到密钥Kf；
其中，
根据密钥Kf＝(b1b2...b256)2，两组初始状态
和
用于两轮排列，具体生成方法如下：
采用二维逻辑正弦耦合映射(LSCM)：
根据式(1)生成混沌序列
目标序列S＝(m1,m2,...,mL)使用该混沌序列
进行随机排列，从中提取
重新排列后的序列为
P为根据X值的排列操作，其中xt+ii≤xt+i2≤...≤xt+iL。
S62，将当前帧的宏块划分为四个区域，其中前三个区域内的宏块分别组成一维的宏块序列S0，S1，S2，对于第四个区域，每个非skipped宏块都与它前面连续的K个skipped宏块组合在一起，每个组合都被描述为一个SRM对，所有的SRM对构成一维的SRM对序列S3，K>2；在步骤S62中宏块序列的划分方式为：当前帧的第一个宏块构成S0；排除第一个宏块后，第一行的宏块按从左到右的顺序构成S1；排除第一个宏块后，第一列的宏块按从上到下的顺序构成S2；剩下的宏块按从左到右从上到下的顺序先构成K个SRM对(skip-runs,non-skipped macroblock pair，连续跳过和非跳过宏块对)，然后将K个SRM对构成S3。
S72，利用与帧内容相关的混沌映射f(C,F|Ψ)对宏块序列S1进行混沌迭代，生成长度与S1序列元素个数相等的混沌序列；对所述混沌序列的元素按照大小进行排序，记录已排序序列中的随机数在原始序列中的位置，将所有的位置数形成一个新序列；
S82，利用所述新序列分别对S1内部的宏块置乱；
S92，重复执行步骤S72-S82，完成对S2的宏块置乱；
S102，先排除S1和S2中的I宏块，然后以S1在前，S2在后的顺序，将S1和S2序列串联起来，从而构造出新的序列Sni，重复执行步骤S72-S82，完成对Sni的宏块置乱；
S112，重复执行步骤S72-S82，完成S3的SRM对置乱；
S113，重新扫描当前帧的所有宏块，并修改语法元素mb_skip_run的值以匹配每个非skipped宏块前面连续的skipped宏块个数。语法元素mb_skip_run表示的是每个非skipped宏块前面连续的skipped宏块个数。由于对Sni和S3的置乱均可能会改变每个非skipped宏块前面连续的skipped宏块个数，所以必须重新扫描该帧的所有宏块以确定是否需要修改mb_skip_run的值。
S8，使用2D-LSCM生成与当前帧非零DCT系数个数相等的混沌序列，将所述混沌序列和DCT系数的符号位进行异或运算加密；其中，将所述混沌序列和DCT系数的符号位进行异或运算加密的方式包括：
(a)若混沌序列中当前的随机数大于0.5且非零DCT系数大于0，则非零DCT系数取值为其绝对值的负数；
(b)若混沌序列中当前的随机数小于等于0.5且非零DCT系数小于0，则非零DCT系数取值为其绝对值的负数；
(c)除去(a)和(b)的其余情况非零DCT系数取值为其绝对值。
S9，待视频比特流解码结束，对待加密视频中经加密操作改变的宏块的语法元素进行部分重编码，得到加密的视频比特流，完成加密。由于H.264/AVC使用上下文自适应的熵编码方式，而先前的加密步骤打乱了宏块语法元素的相对位置，导致这些语法元素的值的编码结果可能发生改变。因此需要收集置乱后的宏块语法元素，并将这些语法元素重新经过部分编码得到密文形式的H.264/AVC视频比特流。部分重编码过程无需经过耗时的模式决策部分，仅需要熵编码即可。
本方案所提出的H.264/AVC视频加密方法充分考虑了轮廓攻击所基于的原理，利用优化设计的宏块置乱实现加密，能够有效抵抗现有的各种类型的轮廓攻击。同时，本方法的加密密钥与待加密视频帧非零DCT系数数量直方图相关，即不同视频帧所采用的加密密钥不同，是一种自适应密钥的H.264/AVC视频加密方法，能有效抵抗已知明文攻击，而且密钥空间足够大，抗暴力攻击的安全性较好。
上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于抵抗轮廓攻击的视频加密方法，其特征在于，包括：
S1，接收待加密的视频，对所述视频的比特流进行解码；
S2，获取解码后的每一帧视频图像的语法元素；
S3，对当前帧的帧类型进行判断；
S4，根据当前帧的帧类型从所述语法元素中提取与帧内容相关的参数；
S5，选择混沌映射f和对应的初始条件Ψ，得到初始的混沌映射f(Ψ)，其中初始条件Ψ作为种子密钥，再根据提取的参数以及种子密钥生成自适应的加密密钥，得到与当前帧内容相关的混沌映射；
S6，将当前帧的宏块划分为四个区域，每个区域内的宏块分别组成一维的宏块序列；
S7，利用混沌映射将宏块序列置乱；
S8，使用2D-LSCM生成与当前帧非零DCT系数个数相等的混沌序列，将所述混沌序列和DCT系数的符号位进行异或运算加密；
S9，对待加密视频中经加密操作改变的宏块的语法元素进行部分重编码，得到加密的视频比特流，完成加密。
2.根据权利要求1所述的用于抵抗轮廓攻击的视频加密方法，其特征在于，若当前帧的帧类型为I帧，则步骤S3-S7为：
S41，从所述语法元素中提取非零DCT系数的统计特征C、当前帧的帧序号F以及宏块数P，Pj表示一帧中I宏块中prev_intra4×4_pred_mode标志位为1的4×4子块数量为j(j＝0,1,...,16)的I宏块数，所有的pj组成宏块数p；
S51，选择混沌映射f，并选定初始条件Ψ作为种子密钥，得到初始的混沌映射f(Ψ)，再根据统计特征C、当前帧的帧序号F、宏块数P以及种子密钥生成自适应的加密密钥，得到与当前帧内容相关的混沌映射f(C,F,P|Ψ)；
S61，将当前帧的宏块划分为四个区域，每个区域内的宏块分别组成一维的宏块序列S0，S1，S2和S3；
S71，利用与帧内容相关的混沌映射f(C,F,P|Ψ)对宏块序列S1进行混沌迭代，生成长度与宏块序列S1的元素个数相等的混沌序列；对所述混沌序列的元素按照大小进行排序，记录已排序序列中的随机数在原始序列中的位置，将所有的位置数形成一个新序列；
S81，利用所述新序列分别对S1内部的宏块置乱；
S91，重复执行步骤S71-S81，完成对S2和S3的宏块置乱。
3.根据权利要求2所述的用于抵抗轮廓攻击的视频加密方法，其特征在于，步骤S51的再根据统计特征C、当前帧的帧序号F、宏块数P以及种子密钥生成自适应的加密密钥包括：
接收用户输入的大小为256比特的初始密钥K，将DCT系数的统计特征C、当前帧的帧序号F和宏块数P输入SHA3-256哈希函数，得到的256比特的哈希值，将所述哈希值和初始密钥K进行异或运算，得到密钥Kf；
其中，
根据密钥Kf＝(b1b2...b256)2，两组初始状态
和
用于两轮排列，具体生成方法如下：
采用二维逻辑正弦耦合映射(LSCM)：
根据式(1)生成混沌序列
目标序列S＝(m1,m2,...,mL)使用该混沌序列
进行随机排列，从中提取
重新排列后的序列为
P为根据X值的排列操作，其中xt+ii≤xt+i2≤...≤xt+iL。
4.根据权利要求2所述的用于抵抗轮廓攻击的视频加密方法，其特征在于，在步骤S61中宏块序列的划分方式为：
当前帧的第一个宏块构成S0；排除第一个宏块后，第一行的宏块按从左到右的顺序构成S1；排除第一个宏块后，第一列的宏块按从上到下的顺序构成S2；剩下的宏块按从左到右和从上到下的顺序构成S3。
5.根据权利要求2所述的用于抵抗轮廓攻击的视频加密方法，其特征在于，在步骤S71中，迭代生成的随机数序列为(0.894，0.351，0.601，0.282，0.531),排序之后变为(0.282，0.351，0.531，0.601，0.894)，该已排序序列的随机数在原始序列中的位置依次是(4，2，5，3，1)，(4，2，5，3，1)为所生成的新序列；
在步骤S81中，第一次取出第4个位置上的宏块，第二次取出第2个位置上的宏块，直至最后取出第1个位置上的宏块，此取出序列为置乱加密后的宏块顺序。
6.根据权利要求1所述的用于抵抗轮廓攻击的视频加密方法，其特征在于，在步骤S8中将所述混沌序列和DCT系数的符号位进行异或运算加密的方式包括：
(a)若混沌序列中当前的随机数大于0.5且非零DCT系数大于0，则非零DCT系数取值为其绝对值的负数；
(b)若混沌序列中当前的随机数小于等于0.5且非零DCT系数小于0，则非零DCT系数取值为其绝对值的负数；
(c)除去(a)和(b)的其余情况非零DCT系数取值为其绝对值。
7.根据权利要求1所述的用于抵抗轮廓攻击的视频加密方法，其特征在于，若当前帧的帧类型为P帧或B帧，则步骤S3-S7为：
S42，从所述语法元素中提取非零DCT系数的统计特征C、当前帧的帧序号F；
S52，选择混沌映射f，并选定初始条件Ψ作为种子密钥，得到初始的混沌映射f(Ψ)，再根据统计特征C、当前帧的帧序号F以及种子密钥生成自适应的加密密钥，得到与当前帧内容相关的混沌映射f(C,F|Ψ)；
S62，将当前帧的宏块划分为四个区域，其中前三个区域内的宏块分别组成一维的宏块序列S0，S1，S2，对于第四个区域，每个非skipped宏块都与它前面连续的K个skipped宏块组合在一起，每个组合都被描述为一个SRM对，所有的SRM对构成一维的SRM对序列S3，K>2；
S72，利用与帧内容相关的混沌映射f(C,F|Ψ)对宏块序列S1进行混沌迭代，生成长度与S1序列元素个数相等的混沌序列；对所述混沌序列的元素按照大小进行排序，记录已排序序列中的随机数在原始序列中的位置，将所有的位置数形成一个新序列；
S82，利用所述新序列分别对S1内部的宏块置乱；
S92，重复执行步骤S72-S82，完成对S2的宏块置乱；
S102，先排除S1和S2中的I宏块，然后以S1在前，S2在后的顺序，将S1和S2序列串联起来，从而构造出新的序列Sni，重复执行步骤S72-S82，完成对Sni的宏块置乱；
S112，重复执行步骤S72-S82，完成S3的SRM对置乱；
S113，重新扫描当前帧的所有宏块，并修改语法元素mb_skip_run的值以匹配每个非skipped宏块前面连续的skipped宏块个数。
8.根据权利要求7所述的用于抵抗轮廓攻击的视频加密方法，其特征在于，步骤S52再根据统计特征C、当前帧的帧序号F以及种子密钥生成自适应的加密密钥包括：
接收用户输入的大小为256比特的初始密钥K，将DCT系数的统计特征C、当前帧的帧序号F输入SHA3-256哈希函数，得到的256比特的哈希值，将所述哈希值和初始密钥K进行异或运算，得到密钥Kf；
其中，
根据密钥Kf＝(b1b2...b256)2，两组初始状态
和
用于两轮排列，具体生成方法如下：
采用二维逻辑正弦耦合映射(LSCM)：
根据式(1)生成混沌序列
目标序列S＝(m1,m2,...,mL)使用该混沌序列
进行随机排列，从中提取
重新排列后的序列为
P为根据X值的排列操作，其中xt+ii≤xt+i2≤...≤xt+iL。
9.根据权利要求7所述的用于抵抗轮廓攻击的视频加密方法，其特征在于，在步骤S62中宏块序列的划分方式为：
当前帧的第一个宏块构成S0；排除第一个宏块后，第一行的宏块按从左到右的顺序构成S1；排除第一个宏块后，第一列的宏块按从上到下的顺序构成S2；剩下的宏块按从左到右从上到下的顺序先构成K个SRM对，然后将K个SRM对构成S3。
10.根据权利要求2所述的用于抵抗轮廓攻击的视频加密方法，其特征在于，所述非零DCT系数的统计特征C为当前帧的所有宏块的非零DCT数量属于区间[0，256]内每一个元素的宏块个数。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910976296.3A CN110677694B (zh) | 2019-10-15 | 2019-10-15 | 一种用于抵抗轮廓攻击的视频加密方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910976296.3A CN110677694B (zh) | 2019-10-15 | 2019-10-15 | 一种用于抵抗轮廓攻击的视频加密方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110677694A true CN110677694A (zh) | 2020-01-10 |
| CN110677694B CN110677694B (zh) | 2021-10-26 |
Family
ID=69082496
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910976296.3A Active CN110677694B (zh) | 2019-10-15 | 2019-10-15 | 一种用于抵抗轮廓攻击的视频加密方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110677694B (zh) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111800634A (zh) * | 2020-06-30 | 2020-10-20 | 西安万像电子科技有限公司 | 图像处理方法及装置 |
| CN114205624A (zh) * | 2021-11-03 | 2022-03-18 | 成都鼎安华智慧物联网股份有限公司 | 视频加密方法 |
| CN114363658A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-04-15 | 慧之安信息技术股份有限公司 | 一种音视频流加密传输的方法和装置 |
| CN114390317A (zh) * | 2022-01-18 | 2022-04-22 | 山东点盾云网络科技有限公司 | 面向流式传输视频的加密方法及系统 |
| CN116226471A (zh) * | 2023-05-10 | 2023-06-06 | 济宁蜗牛软件科技有限公司 | 一种用于国土资源规划的数据存储方法 |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101110944A (zh) * | 2007-08-31 | 2008-01-23 | 湖北科创高新网络视频股份有限公司 | 一种视频数据的加密方法和装置 |
| CN101146225A (zh) * | 2007-09-20 | 2008-03-19 | 合肥工业大学 | 一种基于h.264视频流的加密方法 |
| CN201699807U (zh) * | 2010-07-09 | 2011-01-05 | 苏州市职业大学 | 一种数字图像置乱装置 |
| CN102176759A (zh) * | 2011-02-15 | 2011-09-07 | 天津理工大学 | 基于超混沌序列的视频流信息加密方法 |
| CN102395034A (zh) * | 2011-12-22 | 2012-03-28 | 东北大学 | 基于帧内预测的mpeg-4视频混沌加密方法 |
| CN102843558A (zh) * | 2012-08-21 | 2012-12-26 | 中国电子科技集团公司第三十八研究所 | H.264/avc压缩域视频加密/解密装置及其加密/解密方法 |
| CN106570815A (zh) * | 2016-10-21 | 2017-04-19 | 广东工业大学 | 一种基于双混沌系统和分块的图像加密方法 |
| CN107770405A (zh) * | 2017-10-23 | 2018-03-06 | 北京邮电大学 | 图像加密方法及装置 |
| AU2018100382A4 (en) * | 2018-03-27 | 2018-05-10 | Southwest University | A compression-diffusion-permutation strategy for big image data |
| CN108134936A (zh) * | 2016-12-01 | 2018-06-08 | 钦州市晶通科技有限公司 | 一种高性能视频加密方法 |
| CN109379510A (zh) * | 2018-09-13 | 2019-02-22 | 桂林电子科技大学 | 一种基于二维Logistic混沌系统算法的图像加密方法 |
-
2019
- 2019-10-15 CN CN201910976296.3A patent/CN110677694B/zh active Active
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101110944A (zh) * | 2007-08-31 | 2008-01-23 | 湖北科创高新网络视频股份有限公司 | 一种视频数据的加密方法和装置 |
| CN101146225A (zh) * | 2007-09-20 | 2008-03-19 | 合肥工业大学 | 一种基于h.264视频流的加密方法 |
| CN201699807U (zh) * | 2010-07-09 | 2011-01-05 | 苏州市职业大学 | 一种数字图像置乱装置 |
| CN102176759A (zh) * | 2011-02-15 | 2011-09-07 | 天津理工大学 | 基于超混沌序列的视频流信息加密方法 |
| CN102395034A (zh) * | 2011-12-22 | 2012-03-28 | 东北大学 | 基于帧内预测的mpeg-4视频混沌加密方法 |
| CN102843558A (zh) * | 2012-08-21 | 2012-12-26 | 中国电子科技集团公司第三十八研究所 | H.264/avc压缩域视频加密/解密装置及其加密/解密方法 |
| CN106570815A (zh) * | 2016-10-21 | 2017-04-19 | 广东工业大学 | 一种基于双混沌系统和分块的图像加密方法 |
| CN108134936A (zh) * | 2016-12-01 | 2018-06-08 | 钦州市晶通科技有限公司 | 一种高性能视频加密方法 |
| CN107770405A (zh) * | 2017-10-23 | 2018-03-06 | 北京邮电大学 | 图像加密方法及装置 |
| AU2018100382A4 (en) * | 2018-03-27 | 2018-05-10 | Southwest University | A compression-diffusion-permutation strategy for big image data |
| CN109379510A (zh) * | 2018-09-13 | 2019-02-22 | 桂林电子科技大学 | 一种基于二维Logistic混沌系统算法的图像加密方法 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| 姚晔，徐正全，杨志云: "基于伪随机序列的宏块置乱视频加密方案", 《计算机工程》 * |
| 张伟: "基于混沌的多媒体信息加密技术研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技辑》 * |
| 王丽丰: "视频信息加密技术的研究", 《中国博士学位论文全文数据库信息科技辑》 * |
| 袁春经，张小红: "利用视觉感知模型宏块分类的视频安全研究", 《小型微型计算机系统》 * |
| 马毅超: "基于H.264的多混沌视频加密研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技辑》 * |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111800634A (zh) * | 2020-06-30 | 2020-10-20 | 西安万像电子科技有限公司 | 图像处理方法及装置 |
| CN111800634B (zh) * | 2020-06-30 | 2024-06-04 | 西安万像电子科技有限公司 | 图像处理方法及装置 |
| CN114205624A (zh) * | 2021-11-03 | 2022-03-18 | 成都鼎安华智慧物联网股份有限公司 | 视频加密方法 |
| CN114363658A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-04-15 | 慧之安信息技术股份有限公司 | 一种音视频流加密传输的方法和装置 |
| CN114390317A (zh) * | 2022-01-18 | 2022-04-22 | 山东点盾云网络科技有限公司 | 面向流式传输视频的加密方法及系统 |
| CN114390317B (zh) * | 2022-01-18 | 2024-03-19 | 山东点盾云网络科技有限公司 | 面向流式传输视频的加密方法及系统 |
| CN116226471A (zh) * | 2023-05-10 | 2023-06-06 | 济宁蜗牛软件科技有限公司 | 一种用于国土资源规划的数据存储方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110677694B (zh) | 2021-10-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110677694B (zh) | 一种用于抵抗轮廓攻击的视频加密方法 | |
| Liu et al. | A survey of video encryption algorithms | |
| Xu et al. | Data hiding in encrypted H. 264/AVC video streams by codeword substitution | |
| Zeng et al. | Efficient frequency domain video scrambling for content access control | |
| Xu | Commutative encryption and data hiding in HEVC video compression | |
| JP4128941B2 (ja) | マルチメディアデータ暗号化圧縮方法及び装置 | |
| Xu et al. | An improved scheme for data hiding in encrypted H. 264/AVC videos | |
| Li et al. | Joint image encryption and compression schemes based on 16× 16 DCT | |
| CN1893350A (zh) | 数字数据加密和解密的方法和装置 | |
| Jiang et al. | An improved selective encryption for H. 264 video based on intra prediction mode scrambling | |
| Guan et al. | An efficient commutative encryption and data hiding scheme for HEVC video | |
| Ong et al. | Beyond format-compliant encryption for JPEG image | |
| He et al. | A novel selective encryption scheme for H. 264/AVC video with improved visual security | |
| Lian et al. | Efficient video encryption scheme based on advanced video coding | |
| Dolati et al. | A selective encryption for H. 264/AVC videos based on scrambling | |
| CN110809192B (zh) | 一种可搭载隐秘信息的视频加密方法 | |
| Shimizu et al. | AC prediction error propagation-based encryption for texture protection of JPEG compressed images | |
| El-Mowafy et al. | Chaos based encryption technique for compressed h264/avc videos | |
| Tang et al. | A format compliant framework for HEVC selective encryption after encoding | |
| CN111372083B (zh) | 一种基于层间处理的shvc视频加密方法 | |
| Shi et al. | Selective encryption for H. 264/AVC video coding | |
| Su et al. | A privacy protection scheme in H. 264/AVC by data hiding | |
| Hooda et al. | A comprehensive survey of video encryption algorithms | |
| Lee et al. | Low complexity controllable scrambler/descrambler for H. 264/AVC in compressed domain | |
| Ding et al. | Design of new scan orders for perceptual encryption of H. 264/AVC videos |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |