鑰矩陣序列視頻亂序加密方法
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摘要：提出RMSP(RandomMatrixSequencePermutation)方法，同時完成幀內宏塊(MacroBlock，MB)之間、塊內VLC(VariableLengthCoding)碼字之間雙重互補的亂序加密，并利用隨機序列生成隨機亂序密鑰矩陣序列，供每幀和每塊依次用不重復的密鑰矩陣對MB和VLC碼字亂序。RMSP方法完全保持編碼格式和壓縮率，具有對應序列密碼的抗攻擊能力且明文信息完全隱藏的特點，速度快約四倍，適用于MPEG、H.26x及JPEG等主流編碼信號加密，可制作單獨模塊。
關鍵詞：視頻加密；變長編碼碼字亂序；宏塊亂序；密鑰矩陣序列
圖像和視頻應用日益廣泛，使得實用圖像和視頻加密技術越來越重要。視頻加密的評價較之通用密碼體制具有新的要求：應具備足夠的抗攻擊能力、視覺信息應被充分隱藏。同時，由于視頻數據量大、結構性強等特征，實用加密方法的計算速度、對編碼格式和壓縮率的影響等指標也很重要。
視頻密文保持編碼格式十分重要。格式信息在存儲、傳輸和在線處理過程中具有重要作用，如實現檢索、暫停、快進、快退等交互功能和QoS保障作用，提高容錯能力和網絡適應性。付費視頻等商業應用往往需要非授權用戶能順利解碼密文卻得不到所需視頻信息，從而破壞了編碼格式，使這些用戶因不能識別或解碼死機，誤認為是線路或軟硬件故障，妨礙業務開展；格式被破壞的視頻數據可能更容易引起注意，增加遭到攻擊和被破譯的機會，而對不含視頻源信息的長零串等公開的特殊規則序列加密，既為明文攻擊提供了便利，也浪費了計算資源。
直接密碼方法將視頻當做普通流用分組密碼、序列密碼等加密，安全且易實現[1,2]，但往往不能同時滿足視頻數據安全、實時和傳輸處理等實用需要，在很多場合不適用。其最難克服的缺陷是破壞編碼格式。VLC碼字作為編碼視頻數據中的重要成分必須重點加密，而有效的VLC碼字遠未遍歷對應比特碼空間。直接使用密碼加密，必然隨機產生大量非法的VLC碼字，密文不可能符合編碼格式。因此尋求VLC碼字的理想加密方法是一個急需研究的課題。
1現有的方法
近年針對視頻加密進行了大量研究，提出很多各有不同優缺點的方法[2]，但仍很難解決VLC碼字加密的難題。現有針對VLC碼字的視頻加密方法大致分為：①DCT系數亂序(Zig－ZagPermutation)[3]。其速度快，但亂序表固定或有限，對明、密文攻擊都脆弱[1]，且大幅降低了壓縮率[2]；塊置亂(BlockShuffling)和塊旋轉(BlockRotation)[4]同樣對明、密文攻擊脆弱。由于沒有加密宏塊的運動矢量，視頻的運動信息非常清楚，同時子帶亂序[4]方式也降低了壓縮率。②改變Huffman碼表方法[5,6]。它不增加處理負擔(Lightweight)，可以不降低壓縮率，但因密鑰空間受限而降低了安全性，且產生密鑰困難[5,6]；密鑰碼表固定，不能抵抗明文攻擊；碼字出現依長度具有統計規律，便于唯密文分析。③VLC碼字映射成定長索引加密[7,8]。其增加了加密比特數即計算量；不同長度碼字統一處理(可為多個VLC碼字數是2的冪的子集)，降低了壓縮率。④隨機改變VLC碼字符號位[9,10]。它不降低壓縮率，但加密信息量過少，安全性不高。這些方法雖能保持編碼格式，但均存在明顯缺陷，實驗還表明它們的視頻信息隱藏效果不夠。
本文提出利用密鑰矩陣序列隨機改變亂序表的視頻亂序加密方法(RandomMatrixSequencePermutation，RMSP)，通過幀內MB亂序來加密視頻畫面形狀和幀間運動信息，通過塊內VLC碼字亂序來加密紋理細節信息，兩者結合使明文視頻信息完全隱藏；再由隨機序列構造亂序密鑰矩陣序列，通過使用每次隨機變化的亂序表，使亂序接近一次一密的安全強度。RMSP方法速度快、完全保持編碼格式、不降低壓縮率，能同時滿足安全、實時、傳輸處理、碼流帶寬等多項實用要求。
2基于密鑰矩陣序列的變模亂序算法
亂序是保持明文的基本元素(如文本的字符、數據的比特位)相同，但順序被打亂。利用亂序算法的特點，以VLC碼字為基本元素而在加密時保證相同，就很容易保證VLC碼字合法有效，解決格式兼容問題。由于視頻信號數據量大，RMSP以幀為分組對MB亂序、以塊為分組對VLC碼字亂序，均便于操作。但每幀MB個數和每塊VLC碼字數都不固定，即每組元素個數不斷變化。亂序分組的元素個數稱為模數，模數可變的亂序稱為變模亂序。
2．1亂序算法描述
2．3由隨機序列生成亂序矩陣序列
一次一密被證明是絕對安全的密碼體制，給序列密碼的研究和應用以強大支持，并取得了不少高性能密鑰序列的研究成果[11]。這些序列雖不能直接用于RMSP，但其隨機性成果可以利用。RMSP設計了一種由隨機序列構造變模亂序矩陣序列用于變模亂序的算法。
3RMSP算法及實現
RMSP方法同時使用MB亂序加密形狀與VLC碼字亂序加密紋理實現互補，達到完全隱藏畫面視覺信息和互相消除相關性的效果，使用隨機亂序矩陣序列實現一次一密。其增加計算量不多，可滿足實時應用。
3．1MB亂序
當前廣泛應用的編碼標準的視頻數據呈層次結構，每幀劃分為16×16像素的宏塊MB并按順序傳輸，接收方按此逐塊解碼恢復原視頻。若以每幀分組，以MB為基本元素亂序，速度快、不降低壓縮率、完全保持編碼格式，非法接收方也能正常解碼，但原視頻的形狀信息被隱藏。塊間差分的DC和預測幀運動矢量同時得到加密，PB幀密文完全不能理解。MB亂序加密形狀效果很好，但沒有加密紋理細節。MB亂序效果如圖1(b)所示。由于AC沒有加密，MB內紋理可辨，尤其如邊界清楚的數字、字母等。將各塊差分DC置零(即DC為常數)時如圖1(c)所示。為更清楚說明問題，圖1(d)所示為破譯了DC時的情況。相鄰MB的邊界像素值相關，DC加密使相鄰邊界像素值變得不相等，但其差值仍接近相等，這個未被加密的相關性為用拼接方法破譯I幀提供了足夠的條件。破譯I幀就得到了主要視頻信息，所以單獨的MB亂序不安全，易被破譯。
3．2VLC碼字亂序
幀內壓縮主要基于DCT和VLC等。數據一般分成8×8像素塊(Block)，經DCT得到8×8系數塊。每個宏塊包括四個亮度塊和兩個色差塊。一般將游程編碼與熵編碼結合進行。每一非零DCT系數對應一個Event(Last,Run,Level)，各Event查表得到VLC碼字并順序傳輸。
在每塊中將VLC碼字作為基本元素亂序。若塊尾(最后一個)VLC碼字改變位置，則將其(Last)置零，而讓亂序密文的塊尾VLC碼字改為對應Last=1的碼字。
該算法加密紋理效果好，畫面細節、數字、字母等都無法識別，速度快，保持編碼格式，也不降低壓縮率。但是密文畫面的輪廓可能很清楚，圖2為僅采用VLC碼字亂序的效果。
3．3兩種亂序的同步實現算法
在RMSP中，MB亂序以幀(Frame)分組，VLC碼字亂序以塊分組，對應以MB和VLC碼字為元素。MB亂序和VLC碼字亂序結合進行，先分析一幀編碼流并生成MB亂序密鑰矩陣，按矩陣找到各宏塊。針對其六個塊生成VLC碼字亂序密鑰矩陣，按矩陣輸出各VLC碼字。
本文原文
在視頻編碼數據流中：①每幀編碼宏塊數和每塊VLC碼字數不恒定，因此每分組要產生相應不同階數的密鑰矩陣；②每元素的數據長度也是變化的，因此定義指示元素數據的結構，并用結構數組指示每分組的元素數據的起點和長度。
(4)MB直接送回緩沖區排隊。
(5)分別對六個塊執行VLC碼字亂序。生成VLC碼字亂序密鑰矩陣并按元素指示將VLC碼字送回緩沖區重新排隊。每塊若最后一個碼字參與了亂序，則其對應Last=1要換為對應Last=0的碼字；將亂序后的最后碼字(對應Last=0)換為對應Last=1的碼字。
(6)對MB亂序矩陣下一元素，重復執行(3)~(5)，送出最后一個MB。
(7)返回第(1)步讀下一幀數據。
接收方解密時只要將亂序密鑰矩陣改為解亂密鑰矩陣即可，其余算法相同。
4RMSP方法的性能分析
4．1加密效果
RMSP加密Clairec、Mobile序列后再按標準解碼。I幀畫面分別如圖3(a)、(c)所示；預測幀效果分別如圖3(b)、(d)所示，完全不能得到原視頻信息。
4．2常規攻擊方法
由于視頻數據量大，RMSP又采用一次一密方式，只要選用足夠隨機的密鑰流，常規攻擊方法很難破譯。窮舉攻擊幾乎不可能，僅考慮對單幀的攻擊情況。由于預測幀(PB幀)解碼離不開參考幀(最終依靠I幀)，攻擊者必先破譯I幀。I幀Cif方式有396個編碼宏塊，Qcif方式有99個，分別有396！和99！種排序。Qcif預測幀最少約20個編碼宏塊，在已破譯I幀的前提下還有20！>>257種排序方式。
破譯少量塊數的塊內VLC亂序沒有意義。若要得到有價值的信息量，如1/3數量的塊，Qcif應為198塊，計算量非常巨大。已知明文或選擇明文攻擊也無效，由于VLC碼字亂序和MB亂序雙重互補加密，明文和密文很難對照找出亂序表得到密鑰流，即使得到部分密鑰流，只要很容易地選用線性復雜度比較高的密鑰流，因為每幀每塊的亂序表(碼本)都是不同的，就難以得到其他視頻信息。
4．3特殊攻擊方法
VLC碼字亂序和MB亂序也在抗攻擊能力上互補。紋理清楚的塊組成的MB的邊界特征信息豐富，便于MB拼接。但是由于VLC碼字多而亂序充分難破譯，無法獲得MB邊界相關性。VLC碼字少的塊容易破譯，但大部分這種MB的邊界信息接近，所以VLC碼字亂序使攻擊者難以依靠邊界相關性來分析拼接亂序的MB。另一方面，MB亂序消除了鄰塊間VLC碼字的相關性，增加了VLC碼字亂序的破譯難度。
MB除邊界相關性之外，在全幀中的分布依畫面隨機不同而不同，不容易找到可利用的規律。但由于視頻數據的相關性，DCT系數具有分布規律。相關性強的塊內像素能量集中于左上角DCT系數(DC及低頻AC)，使DCT系數從DC到低頻AC再到高頻AC在三個方面呈現統計規律：①系數非零的頻率由高到低；②系數絕對值由大到小；③非零系數間的間隔由小到大。塊內像素變化平緩。相關性越強，這種分布規律越明顯，能量越集中；反之紋理越清楚，相關性越弱，能量分散，就沒有明顯的規律。RMSP注重加密紋理清楚、信息量大的塊，使利用這些特性的分析方法失效。
4．3．1頻數分析
根據不同位置系數的非零頻率不同，若亂序表固定或有限，如ZigZag亂序，可通過統計各個位置出現非零系數的頻率來破譯。尤其容易破譯DC和低頻AC從而得到主要的視頻信息[1]。但是RMSP每塊都使用隨機不同的亂序表，頻數統計得不到明確的系數分布特征，無法反映其非零頻率的真實分布。因此依靠頻數分析的唯密文攻擊難以有效實施。
由于每塊亂序表不同，只要選用較高線性復雜度的密鑰序列，攻擊者不能由已知明文破獲，就不能破譯其余的視頻。明文攻擊顯然也無效。
4．3．2幅值分析
根據AC幅值的分布規律，將系數按Level從大到小排序，可以得到相關性強的塊接近明文的效果。但這類塊中紋理比較平緩，信息量小。在紋理清楚的塊中，高頻豐富，高頻AC的幅值也較大，按Level大小排序沒有效果，所以能夠破譯的塊信息量少，而紋理細節清楚的塊又不易破譯。僅VLC亂序后按Level排序破譯的畫面效果如圖4(a)所示，與未經破譯的畫面接近。其配合MB亂序，更抗分析。RMSP加密后經按Level排序破譯的視頻畫面如圖5所示。4．3．3間隔分析
根據非零系數間隔(即Event中的Run參數)的分布規律，將Event按Run從小到大重新排序，可以破譯相關性強的塊。同樣，這類塊中紋理比較平緩，信息量小。在紋理清楚的塊中，高頻豐富、非零系數分布均勻、非零高頻AC也比較集中，難以破譯，因此能夠破譯的塊含信息量小，而信息量大的塊又難以破譯。僅VLC亂序后按Run排序破譯的畫面效果如圖4(b)所示，與未經破譯的畫面接近。RMSP加密后經按Run排序破譯的視頻畫面與圖5效果基本一致。
對塊內VLC碼字亂序而言，若塊內像素相關性強，系數能量集中，量化后只有DC和少量低頻AC。雖然易于破解但紋理平緩、信息量小且不含形狀輪廓信息，邊界信息接近故無助于MB拼接；塊內紋理清楚或處于輪廓處的宏塊，則必然高頻豐富，AC能量分布均勻，非零系數多而亂序充分，破解就很困難。而僅知道DC和少量低頻AC，不僅宏塊內紋理不清楚，也不能為拼接破解宏塊亂序提供相關性信息，配合難以正確拼接破譯的MB亂序，視頻畫面仍不能理解。對RMSP方法，僅破譯DC和少量低頻AC是沒有用的(若DC另用差分編碼，則更難破譯)。綜合來看，RMSP方法使攻擊者難以有效利用視頻數據特性進行分析破譯。
4．3．4其他性能
實驗中硬件配置：P42.4GHzCPU、256MBDDRAM；編解碼器采用MPEG－4校驗模型[12]；密鑰流采用A5[12]和RC4[12]組合，RC4的輸出作為A5的密鑰，每圖組I幀更換，便于同步，由A5輸出序列生成亂序密鑰矩陣序列；視頻規格為Cif(Qcif)和YUV格式文件。
YUV視頻數據分別選用Clairec(90f)、Mobile(300f)、Foreman(225f)等序列，經壓縮編碼得到文件file_mpg，再經加密得到file_mpg_ecr，解密得到file_mpg_dcr，再解碼得到file_dcr.yuv。
(1)速度。RMSP方法加/解密過程包括三步：①讀入并分析視頻流；②產生密鑰序列并生成亂序(解亂)矩陣序列；③按密鑰矩陣輸出密(明)文視頻流。①、③主要是比特流讀寫和數據提取定位，速度快且用時少。I幀宏塊多，且要作塊內DCT系數亂序，故用時較多，但不超過1ms/f。只對非零DCT系數亂序，減少了計算量，速度遠快于ZigZag亂序(約12倍)。②用時較多且主要在于密鑰序列生成上，但仍比直接應用序列密碼要快得多。因為用于生成亂序矩陣序列的密鑰流約為被加密視頻流的1/11，步驟②的軟件實現不超過8ms/f，整個加密過程不超過8ms/f，可滿足實時應用。
編碼視頻流1020544Bytes(Foreman)，需密鑰流98225Bytes，相差約10.39倍，這說明比序列密碼節省大量的密鑰生成時間。每幀耗時如表1所示。表中列出采用相同算法生成密鑰序列與編碼視頻流異或的序列密碼耗時及與RMSP方法的比較。兩者平均速度差約4.71倍。
(2)密文格式。不加密各層格式信息數據，兩種亂序都保持移動后的數據合法，保持VLC碼字塊尾標志符合語法。file_mpg_ecr可直接按標準解碼得到正常完整的視頻(本實驗為YUV文件)，部分顯示如圖3所示。解碼器不報錯，說明加密過程完好保持了數據格式的兼容性。
（3）碼流大小。兩種亂序都只作視頻流中的比特段移位，不改變原數據流大小。明文文件file_mpg、file_mpg_dcr長1020544Bytes(Foreman)，密文file_mpg_ecr長1020546Bytes，說明未降低壓縮率。
(4)抗誤碼能力。只要碰到正確的I幀，密文流與密鑰流即可同步，正確解密。在第19幀(P幀)模擬誤碼，此后解密畫面逐漸模糊。由于實驗環境是文件存取，到第30幀(第二GOP的I幀)即重新恢復清晰。若是視頻會議環境具有丟包重編I幀功能，同步更及時。
5總結和討論
為了解決VLC碼字加密的難題，達到視頻加密同時滿足安全、實時在線、保持壓縮率、格式兼容等矛盾性要求，通過分析利用視頻編碼數據的特性，提出了RMSP方法。RMSP與現有方法比較具有更實用的特點：①兼容，完全保持編碼標準格式，密文狀態下傳輸處理方便；②安全，視頻畫面不能理解，充分消除了攻擊者可利用的相關性，可選用隨機序列密鑰，達到對應序列密碼的抗分析強度；③實時，速度比使用相同密鑰的序列密碼快四倍以上，可滿足在線處理需要；④保持壓縮率，完全不改變明文編碼流長度；⑤丟包后恢復密鑰流同步能力可靠，適用于主流編碼標準，可制作獨立模塊。
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