一种视频加密传输系统的设计

白硕 哈尔滨理工大学荣成学院

一种视频加密传输系统的设计

白硕 哈尔滨理工大学荣成学院

计算机信息技术的不断发展导致网络信息服务的应用越来越多，例如:网络视频、网络游戏、网络社交以及电子商务等。该文回顾了过去的混沌密码系统理论，介绍了其应用的现状以及尚未解决的问题，并对其进行了综合评述。在分析现有算法及其问题的基础上提出了一种基于复合混沌密码的视频实时加密传输系统，包括其基本理论、设计方法、典型应用以及解决相关问题的思路。

视频加密 现状问题 复合混沌密码系统

1 当前视频实时加密传输的现状分析

1.1 视频加密传输技术的现状与发展

LORENZ是第一个发现混沌系统的，时间是在1963年，至今已有大约七十年的历史。混沌系统以及与系统相关的应用自发现以来已经得到了快速发展。混沌系统中具有对初始参数值的很多典型特征，如拉伸折叠变换特性、拓扑传递性、遍历性、混合性、周期点稠密性、敏感依赖性、分数维和奇怪吸引子、正的李氏指数等，这些特征与现代密码学中的混淆、散布等特征有着密不可分的联系。混沌系统中的拉伸折叠变换与香农经典论文《保密系统的通信理论》中提出的加密方法具有惊人的相似性。明文或密钥的变化一个很重要的影响因素就是AES算法和DES算法的加密结果。因此我们可以从某种程度上将它们定义为在有限域上的混沌系统，这种混沌系统的初始状态为明文，控制参数为密钥。从近年来的关注量来看，混沌保密通信受到人们广泛关注就在情理之中。随着云计算、移动互联网、大数据、社交网络等信息技术的快速发展，像图像、视频、音频等多媒体数据的安全性问题愈来愈引起人们的广泛关注。因为多媒体数据具有实时性，相邻元素之间的强相关性，海量等特征，而传统的文本加密算法如DES和AES等针对这种特征没有优势之处甚至于处于劣势，所以传统的加密算法受到挑战也就在所难免。

1.2 视频加密传输存在的问题

在对国内外的视频加密传输研究现状详细分析的基础上，可以看到有关视频加密存在的问题:

①总结过去10年混沌密码分析与设计经验，归纳混沌密码设计原则和安全检测准则；

②不少典型的混沌密码有待分析，供混沌密码设计者参考；

③研究高维数字域混沌系统，融合高维混沌系统与密码设计新算法，提高整个系统的安全性能；

④数字混沌退化程度的衡量尺度有待优化和完善。

1.3 我国的视频加密算法的发展

一方面，我国的网络空间正面临诸多的问题例如安全威胁等等，与网络强国相比仍然有不小差距；另一方面，我国已是名副其实的网络大国。例如，2013年的“棱镜门”事件揭秘了美国运用网络技术窃取其他国家的各类核心机密。2014年2月，我国本着着重完善网络安全的顶层制度设计的目标成立了中央网络安全和信息化领导小组。在《国家中长期科技发展规划纲要(2006-2020)》中我国明确提出要重点研究新型密码技术的总体思路，与其相对应的“高维系统全局分叉和混沌”在国家自然科学基金委“十二五”发展规划中列为优先发展领域“高维/无限维非线性系统动力学与控制”的主要研究方向。在《国家“十二五”科学和技术发展规划》中将密码基础理论列为重大科学问题研究方向，强调加快网络与信息安全技术创新、保障网络与信息安全。

2 复合混沌密码的视频实时加密传输系统设计

2.1 研究内容和目标

本次设计的最终结果是开发一套面向视频电视电话会议、视频监控、视频保密通信等实时视频应用的视频加密软件。有如下三个方面的目标：

①设计出适合于视频实时加密的复合混沌伪随机序列发生器；

②开发出像素级的高安全性视频实时加密传输系统；

③伪随机密钥流能通过随机性测试、加密传输系统能满足安全性和实时性要求。

2.2 研究方法和研究进展

2.2.1 研究内容的技术路线图

图1 技术路线图

2.2.2 视频加密研究

实时传输视频加密算法包括视频采集、视频加密、视频密文传输、视频解密和视频播放五个部分。在服务器端，采集到视频并加密后发送给客户端。接收端接收视频数据并将其解密后播放。该算法的总体设计如图2所示。

图2 实时视频加密传输示意图

图3 密钥扩散过程示意图

2.2.3 视频图像扩散加密操作

将一幅待加密图像与混沌序列进行“异或”运算得到密文图像是最为常见的一种图像替代方法。这种方法具有加密速度快、操作简单等优点，但同时也容易受到选择明文攻击。因此，通常在图像加密中利用扩散来提高加密系统的安全性。

算法描述：

其中Ci表示原始视频图像的第i个像素值，它包含RGB三个通道；Ci表示前面相邻加密后的像素值；Si表示伪随机序列作为密钥；Ii表示原始图像的第i个像素值；M和N分别为图像f(x，y)中x和y方向的像素各数值，M和N根据图像变化而改变；min(M，N)表示M和N中较小的值。加密后像素值为本像素值与相邻前像素值和伪随机密钥三者的异或值。密钥扩散过程如图3所示。

解密过程的扩散函数为：

[1]陈铁明,葛亮.面向无线传感器网络的混沌加密与消息鉴别算法[J].通信学报,2013

[2]文昌辞,王沁,黄付敏,等.基于仿射和复合混沌的图像自适应加密算法[J].通信学报,2012

[3]葛辛,刘粉林,芦斌,等.基于搜索机制混沌加密算法的密文特性分析[J].电子与信息学报,2008