钥矩阵序列视频乱序加密方法.docx

钥矩阵序列视频乱序加密方法摘要：提出RMSP(RandomMatrixSequencePermutation)方法同时完成帧内宏块(MacroBlockMB)之间、块内VLC(VariableLengthCoding)码字之间双重互补的乱序加密并利用随机序列生成随机乱序密钥矩阵序列供每帧和每块依次用不重复的密钥矩阵对MB和VLC码字乱序。RMSP方法完全保持编码格式和压缩率具有对应序列密码的抗攻击能力且明文信息完全隐藏的特点速度快约四倍适用于MPEG、H.26x及JPEG等主流编码信号加密可制作单独模块。关键词：视频加密；变长编码码字乱序；宏块乱序；密钥矩阵序列图像和视频应用日益广泛使得实用图像和视频加密技术越来越重要。视频加密的评价较之通用密码体制具有新的要求：应具备足够的抗攻击能力、视觉信息应被充分隐藏。同时由于视频数据量大、结构性强等特征实用加密方法的计算速度、对编码格式和压缩率的影响等指标也很重要。视频密文保持编码格式十分重要。格式信息在存储、传输和在线处理过程中具有重要作用如实现检索、暂停、快进、快退等交互功能和QoS保障作用提高容错能力和网络适应性。付费视频等商业应用往往需要非授权用户能顺利解码密文却得不到所需视频信息从而破坏了编码格式使这些用户因不能识别或解码死机误认为是线路或软硬件故障妨碍业务开展；格式被破坏的视频数据可能更容易引起注意增加遭到攻击和被破译的机会而对不含视频源信息的长零串等公开的特殊规则序列加密既为明文攻击提供了便利也浪费了计算资源。直接密码方法将视频当做普通流用分组密码、序列密码等加密安全且易实现[12]但往往不能同时满足视频数据安全、实时和传输处理等实用需要在很多场合不适用。其最难克服的缺陷是破坏编码格式。VLC码字作为编码视频数据中的重要成分必须重点加密而有效的VLC码字远未遍历对应比特码空间。直接使用密码加密必然随机产生大量非法的VLC码字密文不可能符合编码格式。因此寻求VLC码字的理想加密方法是一个急需研究的课题。1现有的方法近年针对视频加密进行了大量研究提出很多各有不同优缺点的方法[2]但仍很难解决VLC码字加密的难题。现有针对VLC码字的视频加密方法大致分为：①DCT系数乱序(Zig－ZagPermutation)[3]。其速度快但乱序表固定或有限对明、密文攻击都脆弱[1]且大幅降低了压缩率[2]；块置乱(BlockShuffling)和块旋转(BlockRotation)[4]同样对明、密文攻击脆弱。由于没有加密宏块的运动矢量视频的运动信息非常清楚同时子带乱序[4]方式也降低了压缩率。②改变Huffman码表方法[56]。它不增加处理负担(Lightweight)可以不降低压缩率但因密钥空间受限而降低了安全性且产生密钥困难[56]；密钥码表固定不能抵抗明文攻击；码字出现依长度具有统计规律便于唯密文分析。③VLC码字映射成定长索引加密[78]。其增加了加密比特数即计算量；不同长度码字统一处理(可为多个VLC码字数是2的幂的子集)降低了压缩率。④随机改变VLC码字符号位[910]。它不降低压缩率但加密信息量过少安全性不高。这些方法虽能保持编码格式但均存在明显缺陷实验还表明它们的视频信息隐藏效果不够。本文提出利用密钥矩阵序列随机改变乱序表的视频乱序加密方法(RandomMatrixSequencePermutationRMSP)通过帧内MB乱序来加密视频画面形状和帧间运动信息通过块内VLC码字乱序来加密纹理细节信息两者结合使明文视频信息完全隐藏；再由随机序列构造乱序密钥矩阵序列通过使用每次随机变化的乱序表使乱序接近一次一密的安全强度。RMSP方法速度快、完全保持编码格式、不降低压缩率能同时满足安全、实时、传输处理、码流带宽等多项实用要求。2基于密钥矩阵序列的变模乱序算法乱序是保持明文的基本元素(如文本的字符、数据的比特位)相同但顺序被打乱。利用乱序算法的特点以VLC码字为基本元素而在加密时保证相同就很容易保证VLC码字合法有效解决格式兼容问题。由于视频信号数据量大RMSP以帧为分组对MB乱序、以块为分组对VLC码字乱序均便于操作。但每帧MB个数和每块VLC码字数都不固定即每组元素个数不断变化。乱序分组的元素个数称为模数模数可变的乱序称为变模乱序。2．1乱序算法描述2．3由随机序列生成乱序矩阵序列一次一密被证明是绝对安全的密码体制给序列密码的研究和应用以强大支持并取得了不少高性能密钥序列的研究成果[11]。这些序列虽不能直接用于RMSP但其随机性成果可以利用。RMSP设计了一种由随机序列构造变模乱序矩阵序列用于变模