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基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法

阅读：1215发布：2020-11-23

IPRDB可以提供基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法，涉及视频加密技术领域，本发明提出的基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法，通过选择性的针对I帧中第一行和第一列的DC系数以及P帧、B帧中帧内编码宏块的DC系数来完成对视频序列的加密，本发明方法在保证基本的文娱类视频应用安全需求的前提下，具有加密效率高、压缩比影响小和实时性强等特点，可应用于实时监控、视频直播、付费电视等视频领域；此外，在发明所提出的算法框架具有一定的伸缩性，即具体的加密操作和密钥流发生器可以根据安全性的需求而灵活改变，对于高安全性的加密需求，可以选择使用随机性好、复杂度高的其它加密算法来完成，以实现一个更好的密码学安全性。，下面是基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：输入待压缩视频文件，设置I帧间隔参数为a，将待压缩视频文件分为I帧和P帧；

所述的待压缩视频文件其色差格式为YUV，包括视频文件的亮度信息和色差信息；所述的色差格式YUV，其中，Y表示明亮度，也被称之为Y平面；而U和V表示的则是色度，其中，U表示偏向蓝色的颜色偏差，也被称之为U平面，V表示偏向红色的颜色偏差，也被称之为V平面；

步骤2：利用Logistic映射确定混沌序列，公式如下：式中，xi+1表示xi迭代1次后产生的值，μ表示控制参数，且满足1.40115≤μ≤2，xi表示初值迭代i次后产生的值；

公式（1）的量化公式为：

ki=(xi×10)mod255 (2)式中，ki表示xi量化后的值；

步骤3：加密I帧，方法为：

步骤3.1：对于I帧，对其YUV三个平面的各个平面分别进行操作：逐行进行块遍历，并提取每个平面的自右向左的第一行和自上至下的第一列DC系数，存到数组D={d1，d2，…dn}中；

步骤3.2：将步骤3.1中数组D中的所有元素映射到整数区间f(di)，公式如下：f(di)=di+K (3)

式中，正数区间f(di)的取值范围为[0,510]，其中，di∈D，K为一个常数，且K≥255；

步骤3.3：对D中的数据进行加密，公式如下：ci=(di+ki+ci-1)mod(N+1) (4)式中，ci是加密后的密文，di是加密前的明文，ki是密钥发生器的输出，ci-1是ci的前一个密文，N是映射到正数区间后数组D的值域上限，且满足N＝510；

步骤3.4：将步骤3.3中得到的密文ci减去K，得到加密后的DC系数数列；

步骤3.5：将加密后的数据写入其原始位置，如I帧加密结束，则执行步骤4，否则继续执行步骤3，直至所有I帧均加密成功；

步骤4：加密P帧，方法为：

步骤4.1：遍历P帧中所有块，并寻找帧内编码块，对每一个帧内编码块的DC系数采用如下公式进行加密：cpi=pi⊕ki (5)

式中，cpi是得到的密文，pi为明文，ki为由公式(1)和(2)生成的混沌序列；

步骤4.2：将加密后的数据写入其原始位置，如P帧加密结束，则执行步骤5，否则，反复执行步骤4，直至所有P帧均加密成功；

步骤5：将压缩加密编码后的数据写入到MPEG-4视频文件中，压缩加密完成。

2.根据权利要求1所述的基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法，其特征在于：步骤1所述的待压缩视频文件，采用ISO/IET 14496-2标准中的简单档次作为压缩标准。

3.根据权利要求1所述的基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法，其特征在于：步骤1所述的I帧间隔参数a的取值范围为15～30。

4.根据权利要求1所述的基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法，其特征在于：步骤3.1所述D的取值范围为[-255,255]。

说明书全文

基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法

技术领域

[0001] 本发明涉及视频加密技术领域，特别涉及一种基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法。

背景技术

[0002] 现有的视频加密技术中，最简单、直接的方案就是通过传统的密码学算法，如AES和DES，加密压缩编码后的所有视频数据，然而这种方案无法满足视频加密中对句法兼容的要求，不能在不解密的情况下正确解码加密后的视频。随后，人们又提出了若干选择性加密算法，这类算法根据视频编码标准选择性的对视频数据中部分重要信息进行加密，但不改变视频的控制信息，从而能够满足格式兼容的需求。在选择性加密算法中，有很多基于DCT系数的加密算法，这类算法选择DCT系数中的一部分进行加密，例如加密低频DCT系数或者
DCT系数的符号位。

[0003] 由于视频数据通常是一个压缩之后的文件，因此加密视频数据需要考虑加密效率、压缩效率、安全性、格式兼容性等。通常，基于DCT系数的选择性加密算法会面临三个挑战：加密效率、压缩效率和安全性。Tang提出了zigzag置乱算法，通过一个随机生成的排
列顺序替换压缩中的AC系数排列数序。该方法具有很好的加密效率，但严重破坏了视频压
缩率。而后，研究人员又提出了随机改变非零DCT系数符号位的加密方案，仅仅改变视频流中固定码长的部分，因此能够严格保证视频大小不变。测试表明，该算法有1.81％的额外时间开销，且只加密符号位并不能抵抗已知明文攻击。

[0004] 尽管经过高效的视频压缩编码，视频流仍然包含很大的数据量，在加密过程中遍历所有的DCT系数也是相当耗时的。改变DCT系数值会影响视频编码的压缩比，因为变长编
码时根据系数值的分布特性进行优化设计的，系数值的改变必然破坏了这种分布规律。所
以对加密数据的恰当选择能够有效帮助提高加密效率和压缩效率。很多加密算法都利用帧
间预测技术，仅仅加密I帧中的所有宏块和P帧B帧中的帧内编码宏块就可以达到视觉上
的混乱效果。对于实时应用来说，视频加密的目的是加密尽可能少的数据来减少加解密中
的时间开销。

[0005] 传统的视频加密方法，加密数据量巨大，运行速度慢，由于加密过程破坏了原始文件的格式，因此加密后的视频流不可播放。而DCT系数加密带来的负面影响主要体现在其对压缩效果的影响，以及遍历DCT系数的时间消耗，此外还有安全性低等缺陷。

发明内容

[0006] 针对现有方法存在的不足，本发明提出一种基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法，达到提高加密效率、减小压缩比的影响和增强实时性的目的。

[0007] 本发明的技术方案是这样实现的：一种基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法，包括以下步骤：

[0008] 步骤1：输入待压缩视频文件，设置I帧间隔参数为a，将待压缩视频文件分为I帧和P帧；

[0009] 所述的待压缩视频文件其色差格式为YUV，包括视频文件的亮度信息和色差信息；所述的YUV是被欧洲电视系统所采用的一种颜色编码方法，其中Y表示明亮度(Luminance
或Luma)，也就是灰阶值，也被称之为Y平面；而U和V表示的则是色度(Chrominance或
Chroma)，用于描述影像色彩及饱和度，指定像素的颜色，其中，U表示偏向蓝色的颜色偏差，也被称之为U平面，V表示偏向红色的颜色偏差，也被称之为V平面；

[0010] 对待压缩视频文件进行压缩，方法为：采用ISO/IET 14496-2标准中的简单档次进行压缩，所述的ISO/IET 14496-2为国际标准化/国际电联组织制定的第14496号文件，
其制定了的MPEG4压缩标准，定义中规定了很多个档次，档次即不同的压缩等级，本发明采用简单档次(Simple Profile)作为压缩标准，所述的简单档次是指最简单的等级，只使用
I帧和P帧；所述的I帧为帧内编码帧；所述的P帧为预测编码帧。

[0011] 所述的I帧间隔参数a的取值范围为15～30；

[0012] 步骤2：利用Logistic映射确定混沌序列，公式如下：

[0013]

[0014] 式中，xi+1表示xi迭代1次后产生的值，μ 表示控制参数，且满足1.40115≤μ≤2，xi表示初值迭代i次后产生的值；

[0015] 公式(1)的量化公式为：

[0016] ki＝(xi×108)mod255 (2)

[0017] 式中，ki表示xi量化后的值；

[0018] 步骤3：加密I帧，方法为：

[0019] 步骤3.1：对于I帧，对其YUV三个平面分别逐行进行块遍历，并提取每个平面的第一行和第一列DC系数，存到数组D＝{d1，d2，...dn}中，所述D的取值范围为[-255，
255]；

[0020] 步骤3.2：将步骤3.1中数组D中的所有元素映射到整数区间f(di)，公式如下：

[0021] f(di)＝di+K (3)

[0022] 式中，正数区间f(di)的取值范围为[0，510]，其中，di∈D，K为一个常数，且K≥255；

[0023] 步骤3.3：对D中的数据进行加密，公式如下：

[0024] ci＝(di+ki+ci-1)mod(N+1) (4)

[0025] 式中，ci是加密后的密文，di是加密前的明文，ki是密钥发生器的输出，ci-1是ci的前一个密文，N是映射到正数区间后数列D的值域上限，且满足N＝510；

[0026] 确定加密后的DC系数数列C＝{c1，c2，...，cn}；

[0027] 步骤3.4：将步骤3.3中得到的密文ci减去K，得到加密后的DC系数数列；

[0028] 步骤3.5：将加密后的数据写入其原始位置，如I帧加密结束，则执行步骤4，否则继续执行步骤3，直至所有I帧均加密成功；

[0029] 步骤4：加密P帧，方法为：

[0030] 步骤4.1：遍历P帧中所有块，并寻找帧内编码块，对每一个帧内编码块的DC系数采用如下公式进行加密：

[0031]

[0032] 式中，cpi是得到的密文，pi为明文，ki为由公式(1)和(2)生成的混沌序列；

[0033] 步骤4.2：将加密后的数据写入其原始位置，如P帧加密结束，则执行步骤5，否则，反复执行步骤4，直至所有P帧均加密成功；

[0034] 步骤5：将压缩加密编码后的数据写入到MPEG-4视频文件中，压缩加密完成。

[0035] 上述加密过程的解密方法为：在解压缩过程中将公式(4)和(5)分别替换为(6)和(7)即可：

[0036] di＝(ci-ki-ci-1)modN (6)

[0037]

[0038] 本发明优点：本发明提出的基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法，通过选择性的针对I帧中第一行和第一列的DC系数以及P帧、B帧中帧内编码宏块的DC系数来完
成对视频序列的加密，本发明方法在保证基本的文娱类视频应用安全需求的前提下，具有
加密效率高、压缩比影响小和实时性强等特点，可应用于实时监控、视频直播、付费电视等视频领域；此外，在发明所提出的算法框架具有一定的伸缩性，即具体的加密操作和密钥流发生器可以根据安全性的需求而灵活改变，对于高安全性的加密需求，可以选择使用随机
性好、复杂度高的其它加密算法来完成，以实现一个更好的密码学安全性。

附图说明

[0039] 图1为本发明基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法DC系数预测示意图；

[0040] 图2为本发明基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法的算法结构图；

[0041] 图3为本发明基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法I帧中DC系数预测关系图；

[0042] 图4为本发明基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法宏块编码模式示意图；

[0043] 图5(a)为本发明基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法原视频的第一帧图像；

[0044] 图5(b)为本发明基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法原视频的第二帧图像；

[0045] 图5(c)为本发明基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法原视频的第三帧图像；

[0046] 图5(d)为本发明基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法原视频的第四帧图像；

[0047] 图5(e)为本发明基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法原视频的第五帧图像；

[0048] 图5(f)为本发明基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法原视频的第六帧图像；

[0049] 图5(g)为本发明基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法原视频的第七帧图像；

[0050] 图5(h)为本发明基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法原视频的第八帧图像；

[0051] 图5(i)为本发明基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法原视频的第九帧图像；

[0052] 图5(j)为本发明基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法原视频的第十帧图像；

[0053] 图6(a)为本发明基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法加密后的第一帧图像；

[0054] 图6(b)为本发明基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法加密后的第二帧图像

[0055] 图6(c)为本发明基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法加密后的第三帧图像；

[0056] 图6(d)为本发明基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法加密后的第四帧图像；

[0057] 图6(e)为本发明基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法加密后的第五帧图像；

[0058] 图6(f)为本发明基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法加密后的第六帧图像；

[0059] 图6(g)为本发明基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法加密后的第七帧图像；

[0060] 图6(h)为本发明基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法加密后的第八帧图像；

[0061] 图6(i)为本发明基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法加密后的第九帧图像；

[0062] 图6(j)为本发明基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法加密后的第十帧图像；

[0063] 图7(a)为本发明基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法基于Stefan方法的原始视频；

[0064] 图7(b)为本发明基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法基于Bus方法的原始视频；

[0065] 图7(c)为本发明基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法基于Foreman方法的原始视频；

[0066] 图7(d)为本发明基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法基于Bridge-far方法的原始视频；

[0067] 图7(e)为本发明基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法基于Stefan方法的加密视频；

[0068] 图7(f)为本发明基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法基于Bus方法的加密视频；

[0069] 图7(g)为本发明基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法基于Foreman方法的加密视频；

[0070] 图7(h)为本发明基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法基于Bridge-far方法的加密视频。

具体实施方式

[0071] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

[0072] MPEG视频编码标准包括MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7和MPEG-21，对数字媒体产业有着巨大的影响。MPEG-4编码标准较其他几种有着更为广泛的应用市场，也是现在流行的一种编码格式。在早期的MPEG-1和MPEG-2编码标准中，运动估计和运动补偿技术就
被应用于帧间冗余的减少。帧内编码帧(I帧)是独立于其他帧进行压缩编码的；帧间编码
帧使用运动补偿预测技术，只存储当前编码帧和参考帧之间的残差值；P帧只通过前向编
码帧进行预测，而B帧则通过双向编码帧进行预测。

[0073] MPEG-4编码标准在此基础上提出了减少空域冗余的帧内预测技术：相邻帧内编码块的低频变换系数，尤其是DC系数，通常具有较高的相关性，为了提高压缩效率，帧内编码块的DC系数和第一行或第一列AC系数(可选)从左邻或上邻的已编码块中预测，图1
为DC系数预测示意图，由图1可知，当前块X的DC系数从它上方的块C或左侧的块A中预
测得到，预测方向由水平和竖直方向DC系数的梯度决定，公式如下：

[0074]

[0075] 式中，DCA为当前DC系数的左侧DC系数，DCB为当前DC系数的左上DC系数，DCC为当前DC系数的上方DC系数；

[0076] 当前编码块属于一个帧内编码宏块时，需要其进行帧内预测，包含两种情况：一是I帧中的所有块，二是P帧和B帧中的帧内编码宏块；在不需要兼容H.263的情况下，MPEG-4默认对DC系数使用帧内预测技术，而AC系数的帧内预测是可选的，基于帧内预测技术，I帧中所有后续DC系数都从第一行、第一列DC系数预测得来。

[0077] 本实施例的视频加密方法旨在保证密码学安全和视觉安全的基础上尽量提高加密效率和压缩效率，与其他的基于DCT系数的视频加密算法相比，本申请的算法加密的数
据量更少，仅包含I帧中第一行和第一列DC系数，以及P帧、B帧中的帧内编码宏块，本申
请加密算法的结构如图2所示。

[0078] 本实施例的原理为：在视频流中，与帧间编码帧(P帧和B帧)相比，I帧包含有更多的信息，因此也更加受到视频加密算法的重视，当I帧图像扰乱后，后续的预测帧图像由于参考帧的变化也会被扰乱，而编码的残差也不足以将其恢复。

[0079] 本实施例中的加密算法利用帧内预测技术扰乱I帧中第一行和第一列DC系数值，他们是所有后续DC系数可能的参考值，I帧中DC系数的参考关系如图3所示，第一行和第
一列的DC系数在一帧中的上边界和左边界，没有编码后的DC系数可以作为它们的预测值，
这些预测值在编码时被假定为1024(灰色)，从图3中可以看出，不管DC预测方向是竖直还
是水平，只要第一行和第一列的DC系数被改变了，这种变化就会随着帧内预测而扩散到整
个I帧。

[0080] 本实施例采用基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法，包括以下步骤：

[0081] 步骤1：输入待压缩加密的原始视频YUV文件bus_cif.yuv，大小为每帧图像352×288个像素点，共有148帧，像素深度为8比特，其中，输入的I帧间隔参数a＝15，即
编码的第1帧为I帧，第2-15帧为P帧，第16帧为I帧，第17-30帧为P帧，以此类推；

[0082] 步骤2：利用Logistic映射确定混沌序列：取μ＝2，x0＝0.1234，

[0083] num＝3×352×288/2+2000＝154064；

[0084] 按照公式(1)(2)，得到序列K＝{233，199，161，12，141，212，3，232，211，217，182，81，172，121，167，149，151，84，251，135，193，5，138，104，236，66，40，149，95，6，121，27，
126，82，217，220，216，235，93，59，87，79，20，162，92，124，214，233，156，134，251，98，13，
148，91，237，227，75，161，93，64，84，106，122，217，38，199，118，130，69，228，210，87，100，
203，171，43，135，172，250，227……}

[0085] 本实施例中，加密是取第2000个值以后的数值；

[0086] 步骤3：加密I帧，方法为：

[0087] 步骤3.1：遍历YUV三个平面，取出每个平面的第一行和第一列DC系数，在bus_cif.yuv的第一帧(I帧)中，Y平面共取出DC系数79个，UV两平面各取出DC系数39个；

[0088] Y平面的第一行DC系数为(自右向左)：1，-1，-4，-11，-4，5，5，-3，-9，6，5，4，-35，34，3，1，1，-7，-5，7，-13，-4，14，1，9，8，3，2，-4，-4，1，-8，5，-4，7，-7，2，1，-1，12，-1，
1，-8，-85

[0089] Y平面的第一列DC系数为(自上至下)：-85，-4，2，-5，1，1，0，-4，2，4，11，-5，5，-6，-5，-4，0，-1，10，8，-10，74，-39，22，-21，39，-19，6，-41，5，16，-23，-13，-3，-1，-4[0090] 所以第一组D＝{1，-1，-4，-11，-4，5，5，-3，-9，6，5，4，-35，34，3，1，1，-7，-5，
7，-13，-4，14，1，9，8，3，2，-4，-4，1，-8，5，-4，7，-7，2，1，-1，12，-1，1，-8，-85，-4，2，-5，
1，1，0，-4，2，4，11，-5，5，-6，-5，-4，0，-1，10，8，-10，74，-39，22，-21，39，-19，6，-41，5，
16，-23，-13，-3，-1，-4}

[0091] 步骤3.2：K＝255，根据公式(3)，上面一组D调整到非负区间后变为：

[0092] D＝ {256，254，251，244，251，260，269，252，246，261，260，259，220，289，258，256，256，248，250，262，242，251，241，256，264，263，258，257，251，251，256，247，260，251，262，
248，257，256，254，267，254，256，247，170，251，257，250，256，256，255，251，257，259，266，
250，260，249，250，251，255，254，265，263，245，329，216，277，234，294，236，261，214，260，
271，232，242，252，254，251}

[0093] 步骤3.3：对于此时D中的数值进行加密运算，c0＝59，是混沌序列中第2000个值，公式如下：

[0094] c1＝(256+59+59)％511-255＝119

[0095] c2＝(254+119+107)％511-255＝225

[0096] 步骤3.4：将步骤3.3中得到的密文ci减去K＝255，得到加密后的DC系数数列：C＝{119，225，251，-97，117，-152，-54，110，-178，-64，43，220，-121，64，166，-225，-12，
229，-40，2，152，207，-59，-40，-24，130，230，-255，-138，10，105，-194，-119，-15，-17，
11，101，-200，-151，1，110，236，-42，195，-254，-152，-32，210，-51，167，-219，-61，-25，
135，-237，-199，15，102，-175，-136，21，-3，3，111，161，-134，-9，122，-243}[0097] 步骤3.5：将加密后的数据写入其原始位置，继续其余MPEG-4压缩步骤(详细定
义见ISO/IET 14496)；

[0098] 步骤4：加密P帧，方法为：

[0099] 步骤4.1：遍历P帧中所有块，并寻找帧内编码块，以视频bus_cif中的第一个P帧为例，如图4所示，其中红色标记的宏块为帧内编码宏块，按照逐行扫描的顺序依次是第8，
12，67，，8，183，243，388个宏块，每个宏块有6个DC系数，其中4个是亮度块，两个是色度快；

[0100] DC系数按照编码顺序依次为：

[0101] Y平面28个：-68，-4，0，10，-43，-7，-15，3，-75，4，-1，-4，0，0，0，3，-59，22，19，2，-40，0，17，-6，-64，-3，-2，-8

[0102] U平面7个：-3，-8，-1，0，-4，-2，1

[0103] V平面7个：-2，-2，-1，0，1，0，-69

[0104] 与DC系数进行异或的混沌序列中的数值依次为：

[0105] 与Y平面异或的：171，5，61，99，6，220，115，13，106，29，87，187，80，71，178，69，47，102，40，129，68，217，192，83，30，135，83，64，6

[0106] 与U平面异或的：15，158，141，135，155，195，21

[0107] 与V平面异或的：54，2，103，167，103，16，240，84

[0108] 异或的结果为：

[0109] Y平面的28个系数：-233，-7，61，105，-45，-219，-126，14，-33，25，-88，-185，80，71，178，70，-22，112，59，131，-100，217，209，-87，-34，-134，-83，-72

[0110] U平面的7个系数：-14，-154，-142，135，-153，-195，20

[0111] V平面的7个系数：-56，-4，-104，167，97，17，240，-17

[0112] 本实施例选用Foreman、Stefan、Bridge-far和Mobile等CIF格式的视频序列对本发明方法的有效性进行测试和分析，采用的视频图像均为352×288个像素点，在
MPEG-4SP@L3档次，以I帧间隔为15进行编码，本实施例采用的测试环境为CPU为Intel
Core2 Quad Q82002.33GHz；RAM为4.0GB，下面分别就加密效率、压缩效率和安全性进行测试和分析：

[0113] (1)加密效率

[0114] 衡量加密算法的一个重要指标就是加密效率，即由于加密操作而额外增加的时间负担。在本申请所提的加密方法中，加密操作包含两部分：基于帧内预测的I帧加密和预测帧中的帧内编码宏块加密，因为在这两部分中所需要加密的DC系数都非常少，加密算法的
主要耗时几乎都是用于生成初始的密钥流。

[0115] 在测试中，用来生成密钥流的两步为Logistic映射方程和量化方程。测试中公式Logistic映射迭代了154000次，其中前2000次被丢弃以求保证一个较好的随机性。每帧
所用的平均时间如表1所示。由加密算法造成的额外时间开销百分比由TI表示，其计算方
式如下所示：

[0116]

[0117] 式中，TNE表示不加密时每帧的平均压缩编码时间，TEN表示平均每帧的加密时间。

[0118] 表1为加密时间测试表，从表1中可以看出，随着视频序列长度的增加，加密所用时间比TI减少。加密花费的总时间都在25毫秒左右，主要是生成密钥流的时间开销：

[0119] 表1加密时间测试

[0120]

[0121] (2)压缩效率

[0122] 衡量视频加密算法的另一个指标是压缩效率。一个好的视频加密算法应该尽可能少的影响视频编码的压缩效率。在本申请所述加密算法中，DC系数的改变会影响视频压缩
的效率，因为这样会破坏原有DC系数值的分布特征，而压缩过程中的熵编码是依赖这种分
布特征而设计的。由于本申请的算法中改变的DC系数值很少，加密对压缩效率的影响也相
应较小。对测试视频压缩效率的影响如表2所示，其中，NIMP表示预测帧中帧内宏块的平
均编码数量，视频加密前后大小增加百分比由SI表示，公式如下：

[0123]

[0124] 式中，SE表示加密时压缩编码后的视频大小，SC表示不加密时压缩编码后的视频大小。

[0125] 表2压缩编码效率对照表

[0126]

[0127] 从表2中可以看出，加密算法对测试视频大小的影响不足1％，当场景变换较快时(如Bus视频)，NIMP值较大，预测帧中需要进行加密操作的帧内编码宏块数量随之增多，
加密算法对压缩率的影响也较NIMP值小的序列大。由此，P帧和B帧中帧内编码宏块数量
越少，加密造成的额外空间开销也就越小。所以本申请的算法更适合于固定场景或场景变
换较为缓慢的视频应用。

[0128] (3)安全性

[0129] 视频加密算法的安全性体现在两方面：一是密码学安全性，二是感知安全性。不同的视频应用所需要的安全级别也有所不同。对于商业会议、军事会议、远程医疗等敏感的视频应用，通常需要更高的安全性而选用传统的、更为安全的加密算法，并不考虑视频加密中格式兼容等特殊需求。而文娱类的视频应用则不同，像视频点播、电视直播或者付费节目等，他们的敏感性低，所需要的视频加密的安全级别也相对较低。对于这些应用来说，视频的高质量和实时性才是其价值之所在，所以未授权的用户可以被允许获得一些低质量或有
延迟的视频内容，或者使他们破解算法所需的花费高于这些应用所收取的正常费用即可。

[0130] 密码学上的安全性依赖于密钥空间、生成密钥流的伪随机序列的随机性，以及加密操作本身。在本申请所提出的算法框架下，具体的密钥流产生方法和加密操作是灵活可
变的，可以依据不同的需求而采用密钥空间大、随机性好、加密操作更为安全的方法。

[0131] 本文中算法的感知安全性依赖于第一行和第一列DC系数对其他DC系数的影响。测试中的加密效果如图7所示。其中图7(a)-图7(d)是各测试序列中I帧的原始图像，图
7(e)-图7(h)是对应于这一帧图像的加密效果。

[0132] 从图4中可以看出，尽管加密后的图像仍能显示出视频中的一些细节纹理，但整个的视频画面已经混乱，即便在基于感知的攻击下能够恢复出一些画面内容，也无法得到
高质量的视频画面。这样的画面质量很难被观众所忍受，因此该算法的感知安全性能够适
用于文娱类视频应用的安全需求。

标题	发布/更新时间	阅读量
一种密码学置换的枚举方法及系统-专利编号CN110266471A	2020-05-12	727
密码学密钥代的有效管理-专利编号CN1910848B	2020-05-14	1031
密码学密钥代的有效管理-专利编号CN1910848A	2020-05-15	422
密码学上安全的伪随机数字发生器-专利编号CN101292464B	2020-05-13	882
一种用于密码学运算的微处理器内核-专利编号CN101131719A	2020-05-15	635
一种使用密码学的数字证书认证方法-专利编号CN110704834A	2020-05-12	687
随机密码密码本密码学-专利编号CN107787568A	2020-05-11	517
Android应用程序密码学误用检测方法-专利编号CN104484175A	2020-05-13	1005
适用于密码学应用的素数生成方法-专利编号CN102023962A	2020-05-14	646
密码学区块链互操作-专利编号CN110875821A	2020-05-11	626

基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法

基于帧内预测的MPEG-4视频混沌加密方法

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