CN111698077A - 一种采用动态整数混沌的hevc视频加密方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用动态整数混沌的HEVC视频加密方法，首先采用动态整数混沌模型的密钥通过Feistel密码结构进行多次变换，对该动态整数混沌模型进行初始化，得到动态整数混沌模型迭代的序列初值；采用多核并行的计算方式运行该混沌模型，并行生成整数混沌伪随机序列；然后采用Standard映射进行多次变换，选取HEVC视频加密所需的9个整数混沌伪随机序列；利用所选取的9个整数混沌伪随机序列对HEVC熵编码二进制化过程中的9种语法元素进行异或加密，实现HEVC视频加密。该方法能够在保证视频加密安全性的基础上，提高视频加密的高效性，适合用于对实时性要求严格的视频会议等领域。

Description

一种采用动态整数混沌的HEVC视频加密方法

技术领域

本发明涉及网络通信技术领域，尤其涉及一种采用动态整数混沌的HEVC视频加密方法。

背景技术

互联网技术的飞速发展使得各个行业都进入了信息时代，信息在社会生活中的作用和重要性日益凸显。相对于其他多媒体信息，视频蕴含极为丰富的信息，被民众广泛接受。我国广大互联网用户的80％都是在线音视频用户，随着计算机技术与智能手机的发展，人们不仅对视频的质量有了很高的要求，而且对视频安全性的关注度越来越高，无论是军事或政治这种保密性较高的领域，还是商业领域，视频的非法拷贝、传播、破坏都会造成财产损失，危害国家安全。在社交网络领域，视频通话日渐成为主流，用户的隐私安全受到整个社会的关注，因此视频的安全性成为视频应用领域发展的前提和基石。

针对视频加密，现有技术普遍是将其与编码相结合，既能保证编码的正常进行，又能实现视频的加密功能，然而视频加密的实时性和安全性存在冲突，较好的安全性，对视频加密数据量要求较大，从而导致实时性较差，较好的实时性对加密数量量要求较小，从而导致安全性较差。HEVC(High Efficiency Video Coding)的编码效率相对于H.264/AVC平均提高了50％，且在高清视频上具有更低的码率，完全满足实时视频传输的性能要求，然而HEVC复杂度较高，为保证传输的实时性，加密模型与方法的复杂性不能过高；同时，为保证视频的安全性，加密模型必须具有较高的安全性能，因此加密方法的位置选择必定多样化。现有技术中的HEVC加密方法复杂度高，仍会影响实时性，同时采用超混沌系统加密则太过复杂，采用简单的混沌映射加密则安全性不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用动态整数混沌的HEVC视频加密方法，该方法能够在保证视频加密安全性的基础上，提高视频加密的高效性，适合用于对实时性要求严格的视频会议等领域。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种采用动态整数混沌的HEVC视频加密方法，所述方法包括：

步骤1、采用动态整数混沌模型的密钥通过Feistel密码结构进行多次变换，对该动态整数混沌模型进行初始化，得到动态整数混沌模型迭代的序列初值；

步骤2、采用多核并行的计算方式运行该动态整数混沌模型，并行生成整数混沌伪随机序列；

步骤3、然后采用Standard映射进行多次变换，选取HEVC视频加密所需的9个整数混沌伪随机序列；

步骤4、利用所选取的9个整数混沌伪随机序列对HEVC熵编码二进制化过程中的9种语法元素进行异或加密，实现HEVC视频加密。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法能够在保证视频加密安全性的基础上，提高视频加密的高效性，适合用于对实时性要求严格的视频会议等领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的采用动态整数混沌的HEVC视频加密方法流程示意图；

图2为本发明实施例所述并行生成整数混沌伪随机序列的过程示意图；

图3为本发明所举实例HEVC视频加密过程的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的采用动态整数混沌的HEVC视频加密方法流程示意图，所述方法包括：

步骤1、采用动态整数混沌模型的密钥通过Feistel密码结构进行多次变换，对该动态整数混沌模型进行初始化，得到动态整数混沌模型迭代的序列初值；

在该步骤中，所述动态整数混沌模型表示如下：

x_n+1(i)＝[f(g_n(i))+f(g_n(j))+f(g_n(k))]mod2^a

g_n(i)∈[0,2^a-1] i,j,k∈[1,L]n∈[1,N] (1)

g_n(i)＝(x_n(i)+k_im)mod2^a x_n(i)∈[0,2^a-1] (3)

其中，公式1为改进的耦合映象格子；m、n为当前序列长度，N为总序列长度；i、j、k均为格点序号；L为格点总数；

公式2～3为整数动态帐篷映射；g_n(i)为动态扰动中间量；a为变量位数；k_im为动态参量；mod为取模运算符；<<为非循环左移；>>为非循环右移；|为按位或；⊕为按位异或；

公式4为猫映射；p、q为猫映射参数；

公式5为动态参量的具体实现，x₀、y₀为该动态整数混沌模型的密钥。

上述动态整数混沌模型既具有低维混沌系统的高效性，又具有高维混沌系统的复杂性，非常适合用于视频加密领域；同时该动态整数混沌模型核心的混沌映射函数已采用位运算形式表示，如公式2，相交于之前的混沌模型，在生成速度上提高了25％，完成了效率上的优化。

具体实现中，对该动态整数混沌模型进行初始化的过程为：

初始化过程中采用如下公式：

L_i＝R_i-1

x₁(i)＝P(L_i,R_i) (8)

其中，公式6中F为轮函数，具有异或作用；K_i为轮密钥；L_i和R_i为中间变量，分别代表初值x1(i)的左右两部分；⊕为按位异或；

公式7中C_i-1和D_i-1为中间变量；<<为循环左移；

公式8为拼接操作，将L_i和R_i按从左至右的顺序拼接成序列初值x₁(i)；

该动态整数混沌模型的初始化过程借鉴Feistel结构，产生模型所需的序列初值{x₁(1)、x₁(2)、…x₁(L)}，具体来说：

利用动态整数混沌模型的密钥K，将K分为C₀和D₀左右各16位，将C₀和D₀代入公式7生成轮密钥K₁；利用动态整数混沌模型的密钥z₀，将z₀分为L₀和R₀左右各16位，将L₀、R₀和K₁代入公式6生成L₁和R₁，最后将L₁和R₁代入公式8生成序列初值x₁(1)；

然后进行第二轮变换，将密钥K₁分为C₁和D₁左右各16位，将C₁和D₁代入公式7生成轮密钥K₂；将L₁、R₁和K₂代入公式6生成L₂和R₂，最后将L₂和R₂代入公式8生成序列初值x₁(2)；

依次类推，继续进行第3轮、第4轮、…第L-1轮变换，直到第L轮停止即可，此时生成动态整数混沌模型迭代的序列初值{x₁(1)、x₁(2)、…x₁(L)}，完成初始化工作。

步骤2、采用多核并行的计算方式运行该动态整数混沌模型，并行生成整数混沌伪随机序列；

在该步骤中，首先对所述动态整数混沌模型的参数进行设置，利用设置的猫映射参数p、q和格点总数L通过公式4生成格点序号j和k，利用动态整数混沌模型的密钥x₀和y₀通过公式5生成动态参量k_im；

然后将步骤1得到的序列初值{x₁(1)、x₁(2)、…x₁(L)}代入公式3，利用动态参量k_im生成扰动中间量{g₁(1)、g₁(2)、…g₁(L)}；

再将该扰动中间量{g₁(1)、g₁(2)、…g₁(L)}代入公式2，生成整数动态帐篷映射值{f₁(1)、f₁(2)、…f₁(L)}；

最后将该整数动态帐篷映射值{f₁(1)、f₁(2)、…f₁(L)}代入公式1，利用格点序号j和k生成第2轮混沌伪随机序列{x₂(1)、x₂(2)、…x₂(L)}；

此时将第2轮混沌伪随机序列{x₂(1)、x₂(2)、…x₂(L)}再次代入动态整数混沌模型，依次类推，继续生成第3轮、第4轮、…第n-1轮，直到第n轮停止，实现整数混沌伪随机序列的生成。

具体实现中，可以基于VS2015中OpenMP2.0版本，利用omp_set_num_threads库函数、sections指令、firstprivate子句进行多核并行编程，将序列格点总数L等分到多个部分，每部分采用一个核心计算。

步骤3、然后采用Standard映射进行多次变换，选取HEVC视频加密所需的9个整数混沌伪随机序列；

在该步骤中，所采用的公式包括：

其中，公式9～11中α、β、c、c′均为动态整数混沌密钥；α′、β′为选取的加密序列编号；φ和ε为变换中间量；⊕为按位异或；mod为取模运算符；公式9完成了选取的最终步骤；公式10完成了选取的核心计算；公式11完成了α、β的更新计算；

该过程采用Standard映射进行多次变换，选取过程具体为：

利用动态整数混沌密钥β和c，代入公式10生成φ(β)；利用动态整数混沌密钥α，将α和φ(β)代入公式9生成α′；

利用动态整数混沌密钥c′，将c′和α′代入公式10生成ε(α′)；

将ε(α′)和β代入公式9生成β′，此时第一轮选取结束，将α′、β′分别作为key1和key2；

然后进行第二轮选取，将c、c′、α′和β′代入公式11生成更新后的α和β，再按照第一轮的选取方法生成key3和key4；

依次类推，继续生成第3轮、第4轮，直到第5轮停止，此时完成视频加密方法所需的9个整数混沌伪随机序列的选取，分别为{key1、key2、…key9}。

举例来说，如图2所示为本发明实施例所述并行生成整数混沌伪随机序列的过程示意图，针对动态整数混沌模型的参数设置，将混沌模型参数p＝8,q＝10,a＝32,L＝32,n＝2000000；混沌模型密钥{x₀、y₀、z₀、K、α、β、c、c′}，单个混沌密钥为32位整数，分别自行设置。其中，x₀和y₀用作混沌模型的重要参数，z₀和K用作混沌模型初始化Fiestel结构的重要参数，α、β、c和c′用作Standard映射的重要参数，最终得到HEVC视频加密所需的9个整数混沌伪随机序列，分别为{key1、key2、…key9}。

步骤4、利用所选取的9个整数混沌伪随机序列对HEVC熵编码二进制化过程中的9种语法元素进行异或加密，实现HEVC视频加密。

在该步骤中，具体是根据HEVC视频加密需求选取9种符合旁路编码规则的语法元素，分别为NC、Merge、Ref_idx、MVD、NC sign、MVD sign、Delta qp sign、SAO sign和Part_mode；

然后采用所选取的9个整数混沌伪随机序列{key1、key2、…key9}对这9种语法元素进行异或加密；

其中，NC的格式为1…10Suffix_a1…10Suffix_b，使用key1加密Suffix_a或Suffix_b；

Merge和Ref_idx的格式为1…10X，使用key2和key3分别加密X；

MVD的格式为1…10Suffix，使用key4加密Suffix；

NC sign、MVD sign、Delta qp sign和SAO sign的格式为X，使用key5、key6和key7分别加密X；

Part_mode的格式为010X或000X，使用key9加密X。

举例来说，如图3所示为本发明所举实例HEVC视频加密过程的示意图，下表1为本发明加密方法的具体描述，其中TEGK、FL、EG1和TRP均为选取语法元素的二进制化方案，分别为莱斯和K阶指数哥伦布联合编码、固定编码、1阶指数哥伦布编码和莱斯编码。

表1选择性加密算法

为了满足视频加密的技术要求，NC加密方法务必按照下表2和表3执行：

表2 NC加密位置位数

表3 NC加密语法值

上述表2中p决定NC的加密位数，p具有与阈值T有关的更新机制，当满足一定条件时，p会更新加1，而加密后的p可能会满足更新条件，进而产生不必要的更新，最终导致视频解码失败，破坏视频格式兼容性。因此当p＝0时，NC的格式为1…101…10Suffix_b，此时Suffix_a不存在，因此仅加密Suffix_b，加密的范围在1位至4位之间，当p>0时，NC的格式为1…10Suffix_a1…10Suffix_b，此时加密Suffix_a和Suffix_b，加密范围随着p增加而增加。

上述表3中p和baselevel决定NC的加密语法值，当baselevel＝2，p＝1时，NC不能加密4或5；p＝2时，NC不能加密11；p＝3时，NC不能加密23，其余情况时，NC均可以适当加密。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

综上所述，本发明实施例所述视频加密方法以动态整数混沌为基础，实现过程简单，然而却有良好的安全性，由于该混沌模型采用多核并行的实现方式，因而能够快速生成伪随机序列，功能扩展性好，非常适用于实时性视频领域；同时由于本方法为选择性视频加密，复杂度低，然而却有良好的安全性，由于该方法与视频编解码相结合，因而能够高效地实现视频加密，完全满足视频加密方法在格式兼容、码流固定、低复杂度和高安全性方面的技术性能要求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种采用动态整数混沌的HEVC视频加密方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、采用动态整数混沌模型的密钥通过Feistel密码结构进行多次变换，对该动态整数混沌模型进行初始化，得到动态整数混沌模型迭代的序列初值；

步骤2、采用多核并行的计算方式运行该动态整数混沌模型，并行生成整数混沌伪随机序列；

步骤3、然后采用Standard映射进行多次变换，选取HEVC视频加密所需的9个整数混沌伪随机序列；

步骤4、利用所选取的9个整数混沌伪随机序列对HEVC熵编码二进制化过程中的9种语法元素进行异或加密，实现HEVC视频加密。

2.根据权利要求1所述采用动态整数混沌的HEVC视频加密方法，其特征在于，在步骤1中，所述动态整数混沌模型表示如下：

x_n+1(i)＝[f(g_n(i))+f(g_n(j))+f(g_n(k))]mod2^a

g_n(i)∈[0,2^a-1] i,j,k∈[1,L] n∈[1,N] (1)

g_n(i)＝(x_n(i)+k_im)mod2^a x_n(i)∈[0,2^a-1] (3)

其中，公式1为改进的耦合映象格子；m、n为当前序列长度，N为总序列长度；i、j、k均为格点序号；L为格点总数；

公式2～3为整数动态帐篷映射；g_n(i)为动态扰动中间量；a为变量位数；k_im为动态参量；mod为取模运算符；<<为非循环左移；>>为非循环右移；|为按位或；

为按位异或；

公式4为猫映射；p、q为猫映射参数；

公式5为动态参量的具体实现，x₀、y₀为该动态整数混沌模型的密钥。

3.根据权利要求1所述采用动态整数混沌的HEVC视频加密方法，其特征在于，在步骤1中，对该动态整数混沌模型进行初始化的过程为：

初始化过程中采用如下公式：

L_i＝R_i-1

x₁(i)＝P(L_i,R_i) (8)

其中，公式6中F为轮函数，具有异或作用；K_i为轮密钥；L_i和R_i为中间变量，分别代表初值x1(i)的左右两部分；⊕为按位异或；

公式7中C_i-1和D_i-1为中间变量；<<为循环左移；

公式8为拼接操作，将L_i和R_i按从左至右的顺序拼接成序列初值x₁(i)；

该动态整数混沌模型的初始化过程借鉴Feistel结构，产生模型所需的序列初值{x₁(1)、x₁(2)、…x₁(L)}，具体来说：

利用动态整数混沌模型的密钥K，将K分为C₀和D₀左右各16位，将C₀和D₀代入公式7生成轮密钥K₁；利用动态整数混沌模型的密钥z₀，将z₀分为L₀和R₀左右各16位，将L₀、R₀和K₁代入公式6生成L₁和R₁，最后将L₁和R₁代入公式8生成序列初值x₁(1)；

然后进行第二轮变换，将密钥K₁分为C₁和D₁左右各16位，将C₁和D₁代入公式7生成轮密钥K₂；将L₁、R₁和K₂代入公式6生成L₂和R₂，最后将L₂和R₂代入公式8生成序列初值x₁(2)；

依次类推，继续进行第3轮、第4轮、…第L-1轮变换，直到第L轮停止即可，此时生成动态整数混沌模型迭代的序列初值{x₁(1)、x₁(2)、…x₁(L)}，完成初始化工作。

4.根据权利要求2所述采用动态整数混沌的HEVC视频加密方法，其特征在于，所述步骤2的过程具体为：

首先对所述动态整数混沌模型的参数进行设置，利用设置的猫映射参数p、q和格点总数L通过公式4生成格点序号j和k，利用动态整数混沌模型的密钥x₀和y₀通过公式5生成动态参量k_im；

然后将步骤1得到的序列初值{x₁(1)、x₁(2)、…x₁(L)}代入公式3，利用动态参量k_im生成扰动中间量{g₁(1)、g₁(2)、…g₁(L)}；

再将该扰动中间量{g₁(1)、g₁(2)、…g₁(L)}代入公式2，生成整数动态帐篷映射值{f₁(1)、f₁(2)、…f₁(L)}；

最后将该整数动态帐篷映射值{f₁(1)、f₁(2)、…f₁(L)}代入公式1，利用格点序号j和k生成第2轮混沌伪随机序列{x₂(1)、x₂(2)、…x₂(L)}；

此时将第2轮混沌伪随机序列{x₂(1)、x₂(2)、…x₂(L)}再次代入动态整数混沌模型，依次类推，继续生成第3轮、第4轮、…第n-1轮，直到第n轮停止，实现整数混沌伪随机序列的生成。

5.根据权利要求1所述采用动态整数混沌的HEVC视频加密方法，其特征在于，在步骤3中，所采用的公式包括：

其中，公式9～11中α、β、c、c′均为动态整数混沌密钥；α′、β′为选取的加密序列编号；φ和ε为变换中间量；⊕为按位异或；mod为取模运算符；公式9完成了选取的最终步骤；公式10完成了选取的核心计算；公式11完成了α、β的更新计算；

该过程采用Standard映射进行多次变换，选取过程具体为：

利用动态整数混沌密钥β和c，代入公式10生成φ(β)；利用动态整数混沌密钥α，将α和φ(β)代入公式9生成α′；

利用动态整数混沌密钥c′，将c′和α′代入公式10生成ε(α′)；

将ε(α′)和β代入公式9生成β′，此时第一轮选取结束，将α′、β′分别作为key1和key2；

然后进行第二轮选取，将c、c′、α′和β′代入公式11生成更新后的α和β，再按照第一轮的选取方法生成key3和key4；

依次类推，继续生成第3轮、第4轮，直到第5轮停止，此时完成视频加密方法所需的9个整数混沌伪随机序列的选取，分别为{key1、key2、…key9}。

6.根据权利要求1所述采用动态整数混沌的HEVC视频加密方法，其特征在于，所述步骤4的过程具体为：

根据HEVC视频加密需求选取9种符合旁路编码规则的语法元素，分别为NC、Merge、Ref_idx、MVD、NC sign、MVD sign、Delta qp sign、SAO sign和Part_mode；

然后采用所选取的9个整数混沌伪随机序列{key1、key2、…key9}对这9种语法元素进行异或加密；

其中，NC的格式为1…10Suffix_a1…10Suffix_b，使用key1加密Suffix_a或Suffix_b；

Merge和Ref_idx的格式为1…10X，使用key2和key3分别加密X；

MVD的格式为1…10Suffix，使用key4加密Suffix；

NC sign、MVD sign、Delta qp sign和SAO sign的格式为X，使用key5、key6和key7分别加密X；

Part_mode的格式为010X或000X，使用key9加密X。

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