【摘要】：隨著移動(dòng)通信技術(shù)和多媒體技術(shù)的迅猛發(fā)展,視頻服務(wù)和視頻應(yīng)用已成為人們生產(chǎn)生活中不可缺少的重要組成部分。視頻作為多媒體信息的重要載體,已廣泛應(yīng)用于軍事保密通信、視頻點(diǎn)播、電視電話會(huì)議、監(jiān)控系統(tǒng)等諸多信息化領(lǐng)域。然而,視頻在存儲(chǔ)和傳輸過程中容易遭受各種攻擊,從而產(chǎn)生一系列安全性問題。因此,對(duì)視頻數(shù)據(jù)的加密保護(hù)是推動(dòng)視頻應(yīng)用不斷發(fā)展的必要技術(shù)手段。視頻具有數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、編碼結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn),傳統(tǒng)的密碼系統(tǒng)已不適合加密視頻數(shù)據(jù)。混沌密碼具有密鑰敏感性強(qiáng)、加密速度快、易于部署和實(shí)現(xiàn)等優(yōu)勢,因此,用混沌密碼來加密視頻數(shù)據(jù)為保護(hù)視頻內(nèi)容開辟了新思路。視頻數(shù)據(jù)量巨大,必須經(jīng)過壓縮編碼才能存儲(chǔ)和傳輸,因此針對(duì)視頻數(shù)據(jù)的加密無論是結(jié)合壓縮編碼過程還是面向壓縮碼流,都必須考慮視頻的壓縮編碼格式、壓縮效率和時(shí)間開銷。低維混沌系統(tǒng)迭代速度快、效率高適合作為視頻加密的密碼系統(tǒng)。本文以混沌理論和視頻編碼理論為基礎(chǔ),利用擴(kuò)展的單峰混沌系統(tǒng)構(gòu)造混沌密碼,分別針對(duì)未經(jīng)壓縮的原始視頻和壓縮編碼后的視頻碼流,設(shè)計(jì)了滿足安全性和實(shí)時(shí)性要求的視頻加密算法。主要研究工作如下:首先,本文提出了交叉復(fù)合單峰混沌系統(tǒng)及均勻化算法。低維混沌系統(tǒng)如Logistic系統(tǒng)迭代速度快,執(zhí)行效率高,因此時(shí)間復(fù)雜度較低,特別適用于加密大數(shù)據(jù)量、強(qiáng)實(shí)時(shí)性的視頻數(shù)據(jù)。但低維混沌普遍存在軌道分布不均勻,混沌參數(shù)區(qū)間狹窄等缺陷。因此本文提出了一種新的可擴(kuò)展相空間的單峰混沌系統(tǒng),該系統(tǒng)具有恒定的李雅普諾夫指數(shù)、可擴(kuò)展的相空間、更寬的混沌參數(shù)范圍和沒有周期窗口等特點(diǎn),同時(shí)針對(duì)單峰混沌系統(tǒng)給出了一般性相空間均勻化算法,解決了相空間邊界聚集問題。為進(jìn)一步提升混沌序列的非線性度和隨機(jī)性,將單峰混沌系統(tǒng)與擴(kuò)展的正弦映射復(fù)合,形成交叉復(fù)合單峰混沌系統(tǒng),由該系統(tǒng)產(chǎn)生的混沌序列的李雅普諾夫指數(shù)增加了一倍,各項(xiàng)隨機(jī)性測試指標(biāo)也顯著提高,為設(shè)計(jì)安全的偽隨機(jī)密鑰流產(chǎn)生算法奠定了基礎(chǔ)。另外,由于混沌序列都是在實(shí)數(shù)域范圍內(nèi)的,但密鑰流是在二進(jìn)制整數(shù)域的,必須經(jīng)過離散化過程將混沌序列值轉(zhuǎn)化為整數(shù)序列,因此,本文提出了基于線性擾動(dòng)和非線性耦合的偽隨機(jī)密鑰流產(chǎn)生算法。經(jīng)典的離散化方法,如閾值法或分段映射法都無法避免計(jì)算機(jī)有限精度帶來的短周期和混沌特性退化問題。本文將線性反饋移位寄存器作為線性擾動(dòng)部件,再通過比特重組打破周期循環(huán)軌道。混沌序列經(jīng)過與比特重組序列的非線性耦合,使得最終生成的偽隨機(jī)密鑰流序列無精確周期,抗攻擊能力增強(qiáng),滿足流密碼的安全性要求。第三,針對(duì)原始的未經(jīng)壓縮編碼的視頻文件,本文提出了基于交叉耦合時(shí)空混沌的動(dòng)態(tài)視頻加密算法。對(duì)原始YUV視頻的加密通常是將加密與壓縮編碼相結(jié)合,壓縮和加密過程同步完成,從而節(jié)約時(shí)間開銷和計(jì)算資源。然而,為確保視頻格式兼容性,只能采用選擇加密方式,提取部分敏感的視頻語法元素作為加密對(duì)象。加密的語法元素過多會(huì)造成編碼時(shí)間延長,比特率增加,影響壓縮效率;加密的視頻語法元素過少則會(huì)影響加密效果,降低加密視頻的安全性。因此,為解決視頻加密實(shí)時(shí)性與安全性無法兼顧的問題,將所有不影響壓縮效率和編碼格式的可加密視頻語法元素構(gòu)成加密候選域,利用本文設(shè)計(jì)的交叉耦合時(shí)空混沌偽隨機(jī)序列動(dòng)態(tài)地選擇加密操作對(duì)象,再將被選定的語法元素與加密密鑰流進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算,從而達(dá)到加密目的。由于每一幀中被加密的視頻信息是隨機(jī)變化的,因此安全性進(jìn)一步增強(qiáng),并確保了實(shí)時(shí)性和格式兼容性。第四,為保護(hù)經(jīng)過壓縮編碼的視頻信息,本文提出了面向壓縮碼流的魯棒性視頻加密算法。對(duì)編碼后的視頻碼流加密必須在充分解析碼流結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行,加密操作要避開與解碼相關(guān)的參數(shù)信息,否則將造成解碼失敗,視頻無法正常播放。本文對(duì)H.264碼流進(jìn)行了詳細(xì)解析,最終確定將分片數(shù)據(jù)負(fù)載部分作為加密操作對(duì)象,既不影響解碼又能對(duì)視頻內(nèi)容起到保護(hù)作用。另外,現(xiàn)有針對(duì)視頻碼流的加密算法通常采用流密碼體系,收發(fā)雙方利用相同的密鑰流實(shí)現(xiàn)加解密操作。但是,一旦傳輸過程中出現(xiàn)丟包,這種方式將使密文和解密密鑰流失配,導(dǎo)致解密失敗。為解決這一問題,本文提出了同步向量機(jī)制,將網(wǎng)絡(luò)提取層單元的頭部和視頻分片頭部通過同步向量算法生成控制混沌系統(tǒng)的同步信號(hào),使得解密密鑰流始終與接收到的密文相匹配,解決了視頻加解密的魯棒性問題。由于同步向量與明文信息相關(guān),則由同步向量控制生成的加密密鑰流也與明文相關(guān),因此該視頻加密算法可以抵抗選擇明文攻擊,在滿足魯棒性要求的前提下,視頻加密系統(tǒng)的安全性進(jìn)一步提高。
【圖文】：

平衡性測試Fig.3-2Balancetest

a) 自相關(guān)性 b) 互相關(guān)性a) Self correlation b) Cross-correlation圖 3-3 相關(guān)性測試Fig.3-3 Correlation test
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP309.7;O415.5

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2643585