基于密钥矩阵序列的视频乱序加密方法
摘要:提出RMSP(Random Matrix Sequence Permutation)方法,同时完成帧内宏块(MacroBlock,MB )之间、块内VLC(Variable Length Coding)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[1,2],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-Zag Permutation)[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(Block Shuffling)和块旋转(Block Rotation)[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[5,6]。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[5,6];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[7,8]。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[9,10]。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(Random Matrix Sequence Permutation,RMSP),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乱序的算法。
3RMSP算法及实现
RMSP方法同时使用MB乱序加密形状与VLC码字乱序加密纹理实现互补,达到完全隐藏画面视觉信息和互相消除相关性的效果,使用随机乱序矩阵序列实现一次一密。其增加计算量不多,可满足实时应用。
3.1MB乱序
当前广泛应用的编码标准的视频数据呈层次结构,每帧划分为16×16像素的宏块MB并按顺序传输,接收方按此逐块解码恢复原视频。若以每帧分组,以MB为基本元素乱序,速度快、不降低压缩率、完全保持编码格式,非法接收方也能正常解码,但原视频的形状信息被隐藏。块间差分的DC和预测帧运动矢量同时得到加密,PB帧密文完全不能理解。 MB乱序加密形状效果很好,但没有加密纹理细节。MB乱序效果如图1(b)所示。由于AC没有加密,MB内纹理可辨,尤其如边界清楚的数字、字母等。将各块差分DC置零(即DC为常数)时如图1(c)所示。为更清楚说明问题,图1(d)所示为破译了DC时的情况。相邻MB的边界像素值相关,DC加密使相邻边界像素值变得不相等,但其差值仍接近相等,这个未被加密的相关性为用拼接方法破译I帧提供了足够的条件。破译I帧就得到了主要视频信息,所以单独的MB乱序不安全,易被破译。
3.2VLC码字乱序
帧内压缩主要基于DCT和VLC等。数据一般分成8×8像素块(Block),经DCT得到8×8系数块。每个宏块包括四个亮度块和两个色差块。一般将游程编码与熵编码结合进行。每一非零DCT系数对应一个Event(Last,Run,Level),各Event查表得到VLC码字并顺序传输。
在每块中将VLC码字作为基本元素乱序。若块尾(最后一个)VLC码字改变位置,则将其(Last)置零,而让乱序密文的块尾VLC码字改为对应Last=1的码字。
该算法加密纹理效果好,画面细节、数字、字母等都无法识别,速度快,保持编码格式,也不降低压缩率。但是密文画面的轮廓可能很清楚,图2为仅采用VLC码字乱序的效果。
3.3两种乱序的同步实现算法
在RMSP中,MB乱序以帧(Frame)分组,VLC码字乱序以块分组,对应以MB和VLC码字为元素。MB乱序和VLC码字乱序结合进行,先分析一帧编码流并生成MB乱序密钥矩阵,按矩阵找到各宏块。针对其六个块生成VLC码字乱序密钥矩阵,按矩阵输出各VLC码字。
本文原文
在视频编码数据流中:①每帧编码宏块数和每块VLC码字数不恒定,因此每分组要产生相应不同阶数的密钥矩阵;②每元素的数据长度也是变化的,因此定义指示元素数据的结构,并用结构数组指示每分组的元素数据的起点和长度。
(4)MB直接送回缓冲区排队。
(5)分别对六个块执行VLC码字乱序。生成VLC码字乱序密钥矩阵并按元素指示将VLC码字送回缓冲区重新排队。每块若最后一个码字参与了乱