[发明专利]一种基于新时空混沌系统的视频加密算法

说明书

技术领域

本发明属于多媒体信息安全技术领域，具体涉及一种基于时空混沌系统的H.264视频加密算法。

背景技术

    随着计算机网络技术及无线移动通讯技术的不断发展与创新，数字媒体数据(包括图像、声音、视频等)在人们的生活中使用也越来越广泛，因此，基于网络传输的多媒体视频应用也变得更加多样化，例如视频会议、视频点播、视频实时监控系统等相关领域。与其他网络传输数据相同，如果视频数据在没有进行加密的情况就在开放的网络中传输会很容易被人攻击，如数据拦截、信息窃取、数据篡改和数据添删等。视频数据的安全性对于多媒体的应用至关重要，它已经成为目前视频技术发展的障碍。因此，如何既能充分的保证视频服务的便利性，又能实施更加有效的视频加密技术成为了一个亟需解决的问题。

　　　目前国际上主流的视频压缩技术是H.264/AVC是由ITU-T 和ISO/IEC 联合制定的新一代视频编码标准，已经被广泛应用于许多多媒体应用领域，设计基于H.264编解码标准，同时尽量不影响压缩编码效率的加密算法是一项极具挑战和困难的工作。H.264视频编码数据具有格式特殊性、数据量大、实时应用处理能力要求高等特点，所以需要在设计加密算法时专门考虑H.264的编码格式，而DES、RSA等传统的加密算法已经越来越不适用于H.264的加密。目前基于H.264编码格式而设计的加密算法的主要研究如下:

　　　Ahn等人根据H.264数据编码格式的性质，对帧内预测模式进行了加密置乱，这种方法针对视频中的所有I、P、B 帧中的INTRA_4×4 块和INTRA_16×16 块预测模式分别进行随机加扰，实现了一种高效实时的加密算法，并且该算法对视频数据的压缩比几乎没有影响；Spinsante等人则提出了选择部分加密算法，通过选择加密H.264视频编码过程中的各种参数包括量化参数，去块滤波系数，帧内预测模式等等，或者对上述参数进行全部加密，这种方案的加密算法安全性不是很高，一般仅能用于商用，例如付费电视等；合肥工业大学的蒋建国等人，则选择在H.264熵编码CAVLC过程中选择加密部分重要参数，同时在指数哥伦布编码过程中加密帧内预测模式，做到了在不影响压缩比的前提下，实现了快速H.264加密；Wang Y等人则在前人基础上，针对非零系数幅值设计可控加密效果的加密算法，实现了可选加密效果的视频加密方案。

　　通过分析不难发现，现有基于H.264设计的视频加密算法中，安全性、实时性、压缩比三者相互矛盾。算法实时性高，则安全性相对较低，不足以满足加密安全需求；安全性高的算法，则其加密速度较慢，对视频数据的压缩比影响较大，同样不适用于实际应用。本发明在前人研究的基础上，提出了一个针对H.264编解码格式的基于新型复合时空混沌系统的视频加密算法，该算法在损失极小的压缩效率和压缩比的情况下，设计选用更加复杂的时空混沌系统产生伪随机序列流，选择多处编解码过程中的关键数据进行加密，使得加密算法在保证实时性的同时提供了更高的安全性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有视频技术存在的不足，提出了一个针对H.264编解码格式的基于新型复合时空混沌系统的视频加密算法，该算法在损失极小的压缩效率和压缩比的情况下，设计选用更加复杂的时空混沌系统产生伪随机序列流，选择多处编解码过程中的关键数据进行加密，使得加密算法在保证实时性的同时提供了更高的安全性，其应用领域极其广泛。

其中，本发明要求保护的为一个针对H.264编解码格式的基于新型复合时空混沌系统的视频加密算法，包括其具体算法内容及具体实施方式，在算法设计上，本发明创新性的采用了时空混沌作为发明中用于加密的伪随机序列生成模型，构造新的本地方程，并对用户密钥进行处理，消除混沌方程迭代影响，生成了随机性、安全性足够高的伪随机序列流；同时，本发明提出了选择加密控制模块，将时空混沌加密模块和选择加密控制模块相结合，导致每次加密过程的不确定性；在加密位置和数据的选择上，在选择帧内预测模式和帧间分块模式以及拖尾系数符号位等传统加密位置的基础上，设计创新了一种基于残差数据块扫描顺序的加密算法，在不影响原扫描顺序的特性的前提下，置乱了局部的扫描顺序，做到了加密扰乱。最后根据算法内容 设计实施具体的操作方式，实现了一种快速加解密视频的H.264编解码平台，并保证了其高安全性和可操作性。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：            

1.      新时空混沌算法模型

采用一维耦合格子模型为：