基于H.265的双重混沌视频加密算法的设计与实现

姚刚 王诚成 顾佼佼 牟俊杰 王永生

摘   要：随着网络技术的快速发展，视频信息安全技术越发受到人们的关注，视频加密问题也正逐渐成为当今社会研究的重点领域。文章设计了一种基于H.265编码标准的视频加密方法，解决现今许多视频加密技术存在的安全性和实时性不平衡的问题。采用混沌猫映射算法对视频的U帧、V帧进行加解密，通过Logistic混沌映射算法对Y帧进行加解密，两种算法相结合不但解决了低维混沌序列保密性不够和高维混沌系统加密速率慢的缺点，而且提高了安全性和实时性。

关键词：H.265;混沌猫映射;Logistic混沌映射;视频加密;信息安全;算法设计

中图分类号： TP311          文献标识码：A

Abstract： With the rapid development of network technology， people pay more and more attention to video information security technology， and video encryption is gradually becoming the focus of social research. In this paper， a video encryption method based on H.265 encoding standard is designed to solve the imbalance of security and real-time in many video encryption technologies. Chaotic cat mapping algorithm is used to encrypt and decrypt U frame and V frame of video， and Logistic chaotic mapping algorithm is used to encrypt and decrypt Y frame. The combination of the two algorithms solves the problems of low-dimensional chaotic sequence security and low-speed encryption of high-dimensional chaotic system， and improves the security and real-time performance.

Key words： H.265;arnold mapping;logistic chaotic mapping;video encryption;  information security;algorithm design

1 引言

随着多媒体技术的不断发展，视频图像等信息都通过多媒体技术进行传输。一旦这些信息泄露或遭受攻击，不仅会危害个人信息安全，严重的还会危害到社会安全，对传输的信息内容进行加密保护可以有效地阻止别人对其窃取。因此，视频信息安全技术越来越受到人们的关注。

H.265的视频编码标准比上一代H.264的压缩率更高，在相同的视频质量下，只需要原来编码的50%左右。同时，H.265采用了并行处理，使得软硬件实现都更加出色。

视频加密的传统方法包括RSA、DES、AES等算法，这些算法大部分都只对视频头帧或头文件进行加密，并且加密效果不够高，容易破解。因此，研究一种新的安全性高、加密速度快的方法很有必要。由于混沌信号不但具有传统加密算法的特性，并且产生密钥的速度非常快。因此，本文将混沌算法与视频加密相结合，以混沌序列替代传统的密钥，不但具有更高安全性，而且加密速度快。

2 现有加密方法分析

视频数据拥有数据量大、数据类型繁多、集成度高、时效要求高等特点，这些新的特点对网络的承受能力提出了巨大的挑战。为了更好地完成对视频文件的加密，需要在保证实时性的同时，尽量保护数据的完整性。虽然目前已出现多种被广泛应用和认可的密码算法，如DES、AES和RSA等，但由于视频信息与普通文本不同，这些传统的通用密码算法已很难满足视频加密在安全性、实时性和格式保持性等方面的特殊需求。比如：非对称密钥算法RSA的加密效果好，但是产生密钥繁琐，实现一次一密比较繁杂;DES算法的安全性相对比较高，但是通过计算机的并行计算可以进行破解，且用于大数据量的视频数据较难;AES算法优化了加密速度，目前没有被破解的记录，但是应用于多媒体有一定的局限性。

混沌是具有高自由度的确定性非线性动力系统，其自身的诸多特性与密码学的要求存在许多相似之处。由于混沌所产生的迭代轨道具有非周期性、类噪声性的特征，使其具有随机序列的属性;而混沌系统对初始条件和参数的高度敏感，又使得混沌迭代轨道具有长期不可预测性。同时，混沌密码的可移植性强、软硬件实现方便、加密速度快、安全性高，适于处理高实时性、大数据量的视频信息。

3 方案设计与实现

3.1 方案设计

由于常规加密算法固有的局限性和混沌加密特有的优势，混沌加密成为一新的发展动态。目前，混沌密码系统的设计主要有两种思路：一是利用混沌系统生成伪随机密钥流，该密钥流直接用于掩盖明文;二是把明文或密钥设置为初始条件和控制参数，然后迭代多次得到密文。混沌序列加密时，将混沌序列作为加密序列，对明文进行轨迹映射，经过连续多次迭代后，将迭代次数作为密钥的一部分。当密文传输到对方后，对方利用解密密钥构造出解密序列对密文进行解密，提取出明文信息。

如果仅使用混沌流密码对视频信息进行加密，能具有很快的加密速度，但是安全性较低。而如果只使用混沌块密码对视频信息进行加密，将提高安全性，但实时性很难满足要求。通过对各类加密算法的分析，本文结合各类算法的特点，将混沌猫映射与Logistic混沌映射作为2个混沌发生器，通过正逆序迭代产生的混沌序列对明文进行加密。这种方案综合了两种混沌加密方式的优点，因此能夠很好地满足视频加密的要求。它既解决了低维混沌序列保密性不够和高维混沌系统加密速率慢的缺点，也提高了其安全性能。

由于H.265仅支持格式为YUV的视频，研究时采用YUV格式的视频源，加密方法为：

（1）将视频源分解成Y帧、U帧及V帧;

（2）设置加密密钥，及混沌猫映射中参数a、b及加密轮数M;Logistic混沌映射算法中的参数μ、X0等;

（3）Logistic混沌映射算法做N次，生成N个数据序列，而U、V帧数据分成P×P的数据块;

（4）将Y帧的数据序列与Logistic混沌映射算法产生的序列进行异或运算，用猫映射将U、V帧像素点置乱;

（5）转到步骤（4），做M次的混沌猫映射;

（6）重新组合加密后的数据，形成加密后的视频。

加密过程框图如图1所示。

视频解密过程实质就是加密过程的逆过程，总的解密算法的过程框图如图2所示。

3.2 算法原理

3.2.1 混沌猫映射（Cat映射）

3.3 算法实现

系统实现时，利用FFmpeg软件完成YUV三帧的分割，利用C#语言进行算法的编写。

FFmpeg是一套可以用来记录、转换数字音频、视频，并能将其转化为流的开源计算机程序。FFmpeg在Linux平台下开发，但它同样也可以在其它操作系统环境中编译运行，包括Windows、Mac OS X等。

C#是一种最新的、面向对象的编程语言。C#语言综合VB可视化和C++的高效性，易于开发。本文采用的IDE平台是Microsoft Visual Studio 2012。

如图3所示，利用Logistic映射进行加解密的过程。

4 算法测试

本文对所编写的算法进行了测试，测试的内容包括：本文算法对视频进行加密解密的效果、加密的安全性能。

4.1 功能测试

通过对视频Y帧、U帧、V帧进行加解密得出加解密结果如图4、图5、图6所示。

通过加密，明显可以看出原视频帧已经被置乱，已经不能正常观看视频，视频加密效果较好。解密后视频恢复正常，视觉效果上与原视频相差不大，解密效果良好。

4.2 安全性能分析

安全性是评价加密算法优劣的重要指标，本文主要从像素相关系数和信息熵两个方面来评估安全性。

（1）像素相关系数分析

本文按照公式对像素相关系数进行计算。

根据上式可计算出正确解密及错误解密后得到的图像与原始图像像素相关系数，如表1所示，利用Logistic混沌映射进行不同密钥加密时相关系数的比较。

由表1中数据可以看出，正确解密时，即key1=0.1，key2=0.2时，解密后图像与原图像的像素相关系数为1，而当使用错误解密时，无论与初始值相差多么微小，均会出现相关系数接近0的现象，这就说明，Logistic映射对于初始值极端敏感。

（2）信息熵分析

如表2所示可得，基于猫映射及Logistic变换对视频帧加密，加密帧的信息熵与原帧完全一样，这说明加密的内容没有改变，只是进行了位置移动，对视频保护较好。

5 结束语

本文完成了基于H.265視频编码技术的双重混沌加密算法的设计，并用C#语言实现了算法的基本思路。两种方法的有机结合克服了单一算法的缺点且提高了安全性。本文算法后续的改进还有很多工作要做，需要继续发掘其存在的问题并修复，并不断完善此加密算法，使其在未来能够在各领域得到广泛的应用。

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