1、基于密鑰矩陣序列的視頻亂序加密方法        摘要：提出RMSP(Random Matrix Sequence Permutation)方法，同時完成幀內(nèi)宏塊(MacroBlock，MB )之間、塊內(nèi)VLC(Variable Length Coding)碼字之間雙重互補的亂序加密，并利用隨機序列生成隨機亂序密鑰矩陣序列，供每幀和每塊依次用不重復(fù)的密鑰矩陣對MB和VLC碼字亂序。RMSP方法完全保持編碼格式和壓縮率，具有對應(yīng)序列密碼的抗攻擊能力且明文信息完全隱藏的特點，速度快約四倍，適用于MPEG、H.26x及J

2、PEG等主流編碼信號加密，可制作單獨模塊。 關(guān)鍵詞：視頻加密；變長編碼碼字亂序；宏塊亂序；密鑰矩陣序列 圖像和視頻應(yīng)用日益廣泛，使得實用圖像和視頻加密技術(shù)越來越重要。視頻加密的評價較之通用密碼體制具有新的要求：應(yīng)具備足夠的抗攻擊能力、視覺信息應(yīng)被充分隱藏。同時，由于視頻數(shù)據(jù)量大、結(jié)構(gòu)性強等特征，實用加密方法的速度、對編碼格式和壓縮率的影響等指標也很重要。 視頻密文保持編碼格式十分重要。格式信息在存儲、傳輸和在線處理過程中具有重要作用，如實現(xiàn)檢索、暫停、快進、快退等交互功能和QoS保障作用，提高容錯能力和適應(yīng)性。付費視頻等商業(yè)應(yīng)用往往需要非授權(quán)用戶能順利解碼密文卻得不到所需視頻信息，從而破壞了編

3、碼格式，使這些用戶因不能識別或解碼死機，誤認為是線路或軟硬件故障，妨礙業(yè)務(wù)開展；格式被破壞的視頻數(shù)據(jù)可能更容易引起注意，增加遭到攻擊和被破譯的機會，而對不含視頻源信息的長零串等公開的特殊規(guī)則序列加密，既為明文攻擊提供了便利，也浪費了計算資源。 直接密碼方法將視頻當做普通流用分組密碼、序列密碼等加密，安全且易實現(xiàn)1,2，但往往不能同時滿足視頻數(shù)據(jù)安全、實時和傳輸處理等實用需要，在很多場合不適用。其最難克服的缺陷是破壞編碼格式。VLC碼字作為編碼視頻數(shù)據(jù)中的重要成分必須重點加密，而有效的VLC碼字遠未遍歷對應(yīng)比特碼空間。直接使用密碼加密，必然隨機產(chǎn)生大量非法的VLC碼字，密文不可能符合編碼格式。因

4、此尋求VLC碼字的理想加密方法是一個急需研究的課題。 1現(xiàn)有的方法 近年針對視頻加密進行了大量研究，提出很多各有不同優(yōu)缺點的方法2，但仍很難解決VLC碼字加密的難題。現(xiàn)有針對VLC碼字的視頻加密方法大致分為：DCT系數(shù)亂序(ZigZag Permutation)3。其速度快，但亂序表固定或有限，對明、密文攻擊都脆弱1，且大幅降低了壓縮率2；塊置亂(Block Shuffling)和塊旋轉(zhuǎn)(Block Rotation)4同樣對明、密文攻擊脆弱。由于沒有加密宏塊的運動矢量，視頻的運動信息非常清楚，同時子帶亂序4方式也降低了壓縮率。改變Huffman碼表方法5,6。它不增加處理負擔(Lightwe

5、ight)，可以不降低壓縮率，但因密鑰空間受限而降低了安全性，且產(chǎn)生密鑰困難5,6；密鑰碼表固定，不能抵抗明文攻擊；碼字出現(xiàn)依長度具有統(tǒng)計，便于唯密文分析。VLC碼字映射成定長索引加密7,8。其增加了加密比特數(shù)即計算量；不同長度碼字統(tǒng)一處理(可為多個VLC碼字數(shù)是2的冪的子集)，降低了壓縮率。隨機改變VLC碼字符號位9,10。它不降低壓縮率，但加密信息量過少，安全性不高。這些方法雖能保持編碼格式，但均存在明顯缺陷，實驗還表明它們的視頻信息隱藏效果不夠。 本文提出利用密鑰矩陣序列隨機改變亂序表的視頻亂序加密方法(Random Matrix Sequence Permutation，RMSP)，通

6、過幀內(nèi)MB亂序來加密視頻畫面形狀和幀間運動信息，通過塊內(nèi)VLC碼字亂序來加密紋理細節(jié)信息，兩者結(jié)合使明文視頻信息完全隱藏；再由隨機序列構(gòu)造亂序密鑰矩陣序列，通過使用每次隨機變化的亂序表，使亂序接近一次一密的安全強度。RMSP方法速度快、完全保持編碼格式、不降低壓縮率，能同時滿足安全、實時、傳輸處理、碼流帶寬等多項實用要求。 2基于密鑰矩陣序列的變模亂序算法 亂序是保持明文的基本元素(如文本的字符、數(shù)據(jù)的比特位)相同，但順序被打亂。利用亂序算法的特點，以VLC碼字為基本元素而在加密時保證相同，就很容易保證VLC碼字合法有效，解決格式兼容問題。由于視頻信號數(shù)據(jù)量大，RMSP以幀為分組對MB亂序、以

7、塊為分組對VLC碼字亂序，均便于操作。但每幀MB個數(shù)和每塊VLC碼字數(shù)都不固定，即每組元素個數(shù)不斷變化。亂序分組的元素個數(shù)稱為模數(shù)，模數(shù)可變的亂序稱為變模亂序。 21亂序算法描述 23由隨機序列生成亂序矩陣序列 一次一密被證明是絕對安全的密碼體制，給序列密碼的研究和應(yīng)用以強大支持，并取得了不少高性能密鑰序列的研究成果11。這些序列雖不能直接用于RMSP，但其隨機性成果可以利用。RMSP設(shè)計了一種由隨機序列構(gòu)造變模亂序矩陣序列用于變模亂序的算法。 3RMSP算法及實現(xiàn) RMSP方法同時使用MB亂序加密形狀與VLC碼字亂序加密紋理實現(xiàn)互補，達到完全隱藏畫面視覺信息和互相消除相關(guān)性的效果，使用隨機亂

8、序矩陣序列實現(xiàn)一次一密。其增加計算量不多，可滿足實時應(yīng)用。 31MB亂序 當前廣泛應(yīng)用的編碼標準的視頻數(shù)據(jù)呈層次結(jié)構(gòu)，每幀劃分為16×16像素的宏塊MB并按順序傳輸，接收方按此逐塊解碼恢復(fù)原視頻。若以每幀分組，以MB為基本元素亂序，速度快、不降低壓縮率、完全保持編碼格式，非法接收方也能正常解碼，但原視頻的形狀信息被隱藏。塊間差分的DC和預(yù)測幀運動矢量同時得到加密，PB幀密文完全不能理解。MB亂序加密形狀效果很好，但沒有加密紋理細節(jié)。MB亂序效果如圖1(b)所示。由于AC沒有加密，MB內(nèi)紋理可辨，尤其如邊界清楚的數(shù)字、字母等。將各塊差分DC置零(即DC為常數(shù))時如圖1(c)所示。為更清

9、楚說明問題，圖1(d)所示為破譯了DC時的情況。相鄰MB的邊界像素值相關(guān)，DC加密使相鄰邊界像素值變得不相等，但其差值仍接近相等，這個未被加密的相關(guān)性為用拼接方法破譯I幀提供了足夠的條件。破譯I幀就得到了主要視頻信息，所以單獨的MB亂序不安全，易被破譯。 32VLC碼字亂序 幀內(nèi)壓縮主要基于DCT和VLC等。數(shù)據(jù)一般分成8×8像素塊(Block)，經(jīng)DCT得到8×8系數(shù)塊。每個宏塊包括四個亮度塊和兩個色差塊。一般將游程編碼與熵編碼結(jié)合進行。每一非零DCT系數(shù)對應(yīng)一個Event(Last,Run,Level)，各Event查表得到VLC碼字并順序傳輸。 在每塊中將VLC碼字作

10、為基本元素亂序。若塊尾(最后一個)VLC碼字改變位置，則將其(Last)置零，而讓亂序密文的塊尾VLC碼字改為對應(yīng)Last=1的碼字。 該算法加密紋理效果好，畫面細節(jié)、數(shù)字、字母等都無法識別，速度快，保持編碼格式，也不降低壓縮率。但是密文畫面的輪廓可能很清楚，圖2為僅采用VLC碼字亂序的效果。 33兩種亂序的同步實現(xiàn)算法 在RMSP中，MB亂序以幀(Frame)分組，VLC碼字亂序以塊分組，對應(yīng)以MB和VLC碼字為元素。MB亂序和VLC碼字亂序結(jié)合進行，先分析一幀編碼流并生成MB亂序密鑰矩陣，按矩陣找到各宏塊。針對其六個塊生成VLC碼字亂序密鑰矩陣，按矩陣輸出各VLC碼字。 本文原文在視頻編碼

11、數(shù)據(jù)流中：每幀編碼宏塊數(shù)和每塊VLC碼字數(shù)不恒定，因此每分組要產(chǎn)生相應(yīng)不同階數(shù)的密鑰矩陣；每元素的數(shù)據(jù)長度也是變化的，因此定義指示元素數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，并用結(jié)構(gòu)數(shù)組指示每分組的元素數(shù)據(jù)的起點和長度。 (4)MB直接送回緩沖區(qū)排隊。 (5)分別對六個塊執(zhí)行VLC碼字亂序。生成VLC碼字亂序密鑰矩陣并按元素指示將VLC碼字送回緩沖區(qū)重新排隊。每塊若最后一個碼字參與了亂序，則其對應(yīng)Last=1要換為對應(yīng)Last=0的碼字；將亂序后的最后碼字(對應(yīng)Last=0)換為對應(yīng)Last=1的碼字。 (6)對MB亂序矩陣下一元素，重復(fù)執(zhí)行(3)(5)，送出最后一個MB。 (7)返回第(1)步讀下一幀數(shù)據(jù)。 接收方解密

12、時只要將亂序密鑰矩陣改為解亂密鑰矩陣即可，其余算法相同。 4RMSP方法的性能分析 41加密效果 RMSP加密Clairec、Mobile序列后再按標準解碼。I幀畫面分別如圖3(a)、(c)所示；預(yù)測幀效果分別如圖3(b)、(d)所示，完全不能得到原視頻信息。 1         42常規(guī)攻擊方法 由于視頻數(shù)據(jù)量大，RMSP又采用一次一密方式，只要選用足夠隨機的密鑰流，常規(guī)攻擊方法很難破譯。窮舉攻擊幾乎不可能，僅考慮對單幀的攻擊情況。由于預(yù)測幀(PB幀)解碼離不開幀(最終依靠I幀)，攻擊者必先破譯I幀。I幀Cif方

13、式有396個編碼宏塊，Qcif方式有99個，分別有396！和99！種排序。Qcif預(yù)測幀最少約20個編碼宏塊，在已破譯I幀的前提下還有20！>>257種排序方式。 破譯少量塊數(shù)的塊內(nèi)VLC亂序沒有意義。若要得到有價值的信息量，如1/3數(shù)量的塊，Qcif應(yīng)為198塊，量非常巨大。已知明文或選擇明文攻擊也無效，由于VLC碼字亂序和MB亂序雙重互補加密，明文和密文很難對照找出亂序表得到密鑰流，即使得到部分密鑰流，只要很容易地選用線性復(fù)雜度比較高的密鑰流，因為每幀每塊的亂序表(碼本)都是不同的，就難以得到其他視頻信息。 43特殊攻擊方法 VLC碼字亂序和MB亂序也在抗攻擊能力上互補。紋理清

14、楚的塊組成的MB的邊界特征信息豐富，便于MB拼接。但是由于VLC碼字多而亂序充分難破譯，無法獲得MB邊界相關(guān)性。VLC碼字少的塊容易破譯，但大部分這種MB的邊界信息接近，所以VLC碼字亂序使攻擊者難以依靠邊界相關(guān)性來分析拼接亂序的MB。另一方面，MB亂序消除了鄰塊間VLC碼字的相關(guān)性，增加了VLC碼字亂序的破譯難度。 MB除邊界相關(guān)性之外，在全幀中的分布依畫面隨機不同而不同，不容易找到可利用的。但由于視頻數(shù)據(jù)的相關(guān)性，DCT系數(shù)具有分布規(guī)律。相關(guān)性強的塊內(nèi)像素能量集中于左上角DCT系數(shù)(DC及低頻AC)，使DCT系數(shù)從DC到低頻AC再到高頻AC在三個方面呈現(xiàn)統(tǒng)計規(guī)律：系數(shù)非零的頻率由高到低；系

15、數(shù)絕對值由大到??；非零系數(shù)間的間隔由小到大。塊內(nèi)像素變化平緩。相關(guān)性越強，這種分布規(guī)律越明顯，能量越集中；反之紋理越清楚，相關(guān)性越弱，能量分散，就沒有明顯的規(guī)律。RMSP注重加密紋理清楚、信息量大的塊，使利用這些特性的分析方法失效。 431頻數(shù)分析 根據(jù)不同位置系數(shù)的非零頻率不同，若亂序表固定或有限，如ZigZag亂序，可通過統(tǒng)計各個位置出現(xiàn)非零系數(shù)的頻率來破譯。尤其容易破譯DC和低頻AC從而得到主要的視頻信息1。但是RMSP每塊都使用隨機不同的亂序表，頻數(shù)統(tǒng)計得不到明確的系數(shù)分布特征，無法反映其非零頻率的真實分布。因此依靠頻數(shù)分析的唯密文攻擊難以有效實施。 由于每塊亂序表不同，只要選用較高線

16、性復(fù)雜度的密鑰序列，攻擊者不能由已知明文破獲，就不能破譯其余的視頻。明文攻擊顯然也無效。 432幅值分析 根據(jù)AC幅值的分布規(guī)律，將系數(shù)按Level從大到小排序，可以得到相關(guān)性強的塊接近明文的效果。但這類塊中紋理比較平緩，信息量小。在紋理清楚的塊中，高頻豐富，高頻AC的幅值也較大，按Level大小排序沒有效果，所以能夠破譯的塊信息量少，而紋理細節(jié)清楚的塊又不易破譯。僅VLC亂序后按Level排序破譯的畫面效果如圖4(a)所示，與未經(jīng)破譯的畫面接近。其配合MB亂序，更抗分析。RMSP加密后經(jīng)按Level排序破譯的視頻畫面如圖5所示。433間隔分析 根據(jù)非零系數(shù)間隔(即Event中的Run參數(shù))的

17、分布規(guī)律，將Event按Run從小到大重新排序，可以破譯相關(guān)性強的塊。同樣，這類塊中紋理比較平緩，信息量小。在紋理清楚的塊中，高頻豐富、非零系數(shù)分布均勻、非零高頻AC也比較集中，難以破譯，因此能夠破譯的塊含信息量小，而信息量大的塊又難以破譯。僅VLC亂序后按Run排序破譯的畫面效果如圖4(b)所示，與未經(jīng)破譯的畫面接近。RMSP加密后經(jīng)按Run排序破譯的視頻畫面與圖5效果基本一致。 對塊內(nèi)VLC碼字亂序而言，若塊內(nèi)像素相關(guān)性強，系數(shù)能量集中，量化后只有DC和少量低頻AC。雖然易于破解但紋理平緩、信息量小且不含形狀輪廓信息，邊界信息接近故無助于MB拼接；塊內(nèi)紋理清楚或處于輪廓處的宏塊，則必然高頻

18、豐富，AC能量分布均勻，非零系數(shù)多而亂序充分，破解就很困難。而僅知道DC和少量低頻AC，不僅宏塊內(nèi)紋理不清楚，也不能為拼接破解宏塊亂序提供相關(guān)性信息，配合難以正確拼接破譯的MB亂序，視頻畫面仍不能理解。對RMSP方法，僅破譯DC和少量低頻AC是沒有用的(若DC另用差分編碼，則更難破譯)。綜合來看，RMSP方法使攻擊者難以有效利用視頻數(shù)據(jù)特性進行分析破譯。 434其他性能 實驗中硬件配置：P4 2.4 GHz CPU、256 MB DDRAM；編解碼器采用MPEG4校驗?zāi)Ｐ?2；密鑰流采用A512和RC412組合，RC4的輸出作為A5的密鑰，每圖組I幀更換，便于同步，由A5輸出序列生成亂序密鑰矩

19、陣序列；視頻規(guī)格為Cif(Qcif)和YUV格式文件。 YUV視頻數(shù)據(jù)分別選用Clairec(90 f)、Mobile(300 f)、Foreman(225 f)等序列，經(jīng)壓縮編碼得到文件file_mpg，再經(jīng)加密得到file_mpg_ecr，解密得到file_mpg_dcr，再解碼得到file_dcr.yuv。 (1)速度。RMSP方法加/解密過程包括三步：讀入并分析視頻流；產(chǎn)生密鑰序列并生成亂序(解亂)矩陣序列；按密鑰矩陣輸出密(明)文視頻流。、主要是比特流讀寫和數(shù)據(jù)提取定位，速度快且用時少。I幀宏塊多，且要作塊內(nèi)DCT系數(shù)亂序，故用時較多，但不超過1 ms/f。只對非零DCT系數(shù)亂序，減

20、少了計算量，速度遠快于ZigZag亂序(約12倍)。用時較多且主要在于密鑰序列生成上，但仍比直接應(yīng)用序列密碼要快得多。因為用于生成亂序矩陣序列的密鑰流約為被加密視頻流的1/11，步驟的軟件實現(xiàn)不超過8 ms/f，整個加密過程不超過8 ms/f，可滿足實時應(yīng)用。 編碼視頻流1 020 544 Bytes(Foreman)，需密鑰流98 225 Bytes，相差約10.39倍，這說明比序列密碼節(jié)省大量的密鑰生成時間。每幀耗時如表1所示。表中列出采用相同算法生成密鑰序列與編碼視頻流異或的序列密碼耗時及與RMSP方法的比較。兩者平均速度差約4.71倍。 (2)密文格式。不加密各層格式信息數(shù)據(jù)，兩種亂序都保持移動后的數(shù)據(jù)合法，保持VLC碼字塊尾標志符合語法。file_mpg_ecr可直接按標準解碼得到正常完整的視頻(本實驗為YUV文件)，部分顯示如圖3所示。解碼器不報錯，說明加密過程完好保持了數(shù)據(jù)格式的兼容性。 （3）碼流大小。兩種亂序都只作視頻流中的比特段移位，不改變原數(shù)據(jù)流大小。明文文件file_mpg、file_mpg_dcr長1 020 544 Bytes(Foreman)，密文file_mpg_ecr長1 020 546 Bytes，說明未降低壓縮率。 (4)抗誤碼能力。只要碰到正確的I幀，密文流與密鑰流即可同步，正確解密。在第19幀(P