引言

隨著寬帶網(wǎng)和無線網(wǎng)的發(fā)展，分布式多媒體廣泛應(yīng)用在視頻點(diǎn)播系統(tǒng)、視頻廣播系統(tǒng)、視頻會(huì)議系統(tǒng)和監(jiān)視系統(tǒng)等方面，這對(duì)多媒體信息提出了不同程度的安全要求⑴。其圖像和視頻信息有固定的格式、海量數(shù)據(jù)特點(diǎn)和播放或傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求，都使得釆用通用的數(shù)據(jù)加密方法遇到了巨大的困難，特別是對(duì)于視頻信息，目前的加密方案還有待進(jìn)一步提高。

早期的安全方法主要依賴于對(duì)媒體訪問者的身份認(rèn)證，而視頻數(shù)據(jù)本身并沒有被加密，因此，存在著傳輸過程中易被竊取、解碼、播放的問題。針對(duì)這種情況，尤其是軍事、政治、經(jīng)濟(jì)等敏感場(chǎng)合對(duì)保密性和安全性的特殊要求，促進(jìn)了對(duì)視頻加密算法的研究。

本文提出了一種基于廣義貓映射和H.264的視頻加密方案，利用貓映射的拉抻與折疊和具有初值敏感的特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)每一幀原始視頻圖像進(jìn)行置亂，然后對(duì)加密后的視頻流進(jìn)行H.264編碼，從而獲得了在較低比特率下的高質(zhì)量視頻。

1  H.264算法

1.1  算法特點(diǎn)

H.264在1997年ITU的視頻編碼專家組(Vid-eoCodingExpertsGroup)提出時(shí)被稱為H.26L,在ITU與ISO合作研究后被稱為MPEG4Parti0(MPEG4AVC)或H.264(JVT)。該算法既保留了以往壓縮技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和精華，又具有其他壓縮技術(shù)無法比擬的許多優(yōu)點(diǎn)：其中低碼流(LowBitRate)是其優(yōu)點(diǎn)之一，與MPEG2和MPEG4ASP等壓縮技術(shù)相比，在同等圖像質(zhì)量下，采用H.264技術(shù)壓縮后的數(shù)據(jù)量只有MPEG2的1/8和MPEG4的1/3；其次是高質(zhì)量的圖像,H.264能提供連續(xù)、流暢的高質(zhì)量圖像(DVD質(zhì)量)；另外，H.264的容錯(cuò)能力強(qiáng)，H.264提供有解決在不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下容易發(fā)生的丟包等錯(cuò)誤的必要工具;而且網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)，H.264提供有網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)層(NetworkAdaptationLayer),該特點(diǎn)使得H.264的文件能容易地在不同的網(wǎng)絡(luò)上傳輸。

1.2  H.264編碼器

H.264編碼模塊的結(jié)構(gòu)如圖1所示。編碼器采用的是預(yù)測(cè)和變換的混合編碼方式。編碼器處理輸入的幀或場(chǎng)F.以宏塊編碼為單位來進(jìn)行幀內(nèi)編碼或幀間編碼。采用幀間預(yù)測(cè)編碼的預(yù)測(cè)值PREDC圖中用P表示）是由當(dāng)前片中已編碼的參考圖像經(jīng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償（MC）后得出的。

為了提高預(yù)測(cè)精度，以提高壓縮比，實(shí)際的參考圖像可在過去或未來（指顯示次序上）已編碼解碼重建和濾波的幀中進(jìn)行選擇。預(yù)測(cè)值F和當(dāng)前塊相減后，可產(chǎn)生一個(gè)殘差塊D,經(jīng)塊變換、量化后產(chǎn)生一組量化后的變換系數(shù)”,再經(jīng)嫡編碼與解碼所需的一些邊信息（預(yù)測(cè)模式量化參數(shù)、運(yùn)動(dòng)矢量等）一起組成一個(gè)壓縮后的碼流，經(jīng)NAL（網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)層）后供傳輸和存儲(chǔ)用。采用幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼的預(yù)測(cè)值可由已編碼的宏塊得到。

1.3  H.264解碼器

H.264的解碼模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，圖中，由編碼器的NAL輸出一個(gè)壓縮后的H.264壓縮比特流，經(jīng)嫡解碼得到量化后的一組變換系數(shù)X,再經(jīng)反量化、反變換，得到殘差D”。利用從該比特流中解碼出的頭信息,解碼器就可產(chǎn)生一個(gè)預(yù)測(cè)塊PRED,它和編碼器中的原始PRED是相同的。當(dāng)該解碼器產(chǎn)生的PRED與殘差D”相加后，就會(huì)產(chǎn)生uFn,再經(jīng)濾波，最后得到重建的F”,這個(gè)F?就是最后的解碼輸出圖像。

2  貓映射

貓映射最早是由Arnold引入的，因?yàn)榻?jīng)常用一張貓臉演示而得名，其方程如下:

（1）式中,行列式C的值為1,即該映射是一個(gè)二維保面積、可逆映射，沒有吸引子「町。實(shí)際上，貓映射包括拉伸和折疊兩個(gè)過程，乘以矩陣C,使*、了變大,相當(dāng)于拉伸，取模使了、J又折回單位矩陣內(nèi)，相當(dāng)于折疊，矩陣C的特征值為：

相應(yīng)的李氏指數(shù)為：

因此，該系統(tǒng)是混沌的。

從幾何方面考慮，可將貓映射作以推廣,稱為廣義貓映射。首先將相空間推廣為：

{0,l,2,?“，N—l}X{0,l,2,“?，N—l}

即只取0到N-1的正整數(shù)，其次將方程推廣為最一般的二維可逆保面積方程，如式（2）所示：

式中a,b,c,d為正整數(shù)，其保面積性要求

是：ad-bc=1

廣義貓映射實(shí)際上是對(duì)一個(gè)最一般的二維可逆保面積映射加了取正整數(shù)的限制，這樣，其很可能不再是混沌的，因?yàn)闋顟B(tài)空間變成有限的了。但從幾何上看，仍然具有貓映射的拉伸和折疊的性質(zhì)，這個(gè)性質(zhì)導(dǎo)致原來相鄰的兩點(diǎn)（i,j）和（i，j+1）經(jīng)迭代幾次后不再相鄰了，即仍然具有一定程度的初值敏感性，利用這一點(diǎn)，一幅圖像經(jīng)迭代若干次之后,就可達(dá)到保密效果。

廣義貓映射的逆映射如下式所示:

需要注意的是，只要正映射的系統(tǒng)取整數(shù)，則逆映射的系數(shù)也取整數(shù)，這是一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)。它保證了加、解密都是整數(shù)運(yùn)算，因而不會(huì)引入誤差，只需要把加密了的圖像按逆映射迭代相應(yīng)次數(shù)就可以解密。

3  貓映射視頻加密、解密流程

貓映射的視頻加密流程如圖3所示。加密時(shí)，首先獲取YUV420視頻流;然后將其分解成幀數(shù)據(jù);再通過加密算法得到加密后的幀數(shù)據(jù);最后把加密后的幀數(shù)據(jù)送往H,264編碼器，得到H.264碼流。解密流程是個(gè)相反的過程：即先將H.264碼流通過H.264解碼器得到加密后的幀數(shù)據(jù);再將加密后的幀數(shù)據(jù)通過解密算法得到解密后的幀數(shù)據(jù);最后將得到的每一幀數(shù)據(jù)組合成YUV420數(shù)據(jù)。

加密算法采用的是廣義貓映射，根據(jù)公式（2）,可對(duì)每一幀圖像進(jìn)行像數(shù)點(diǎn)置亂，（x_n，y_n）代表著像數(shù)點(diǎn)坐標(biāo)，而（x_n＋1，y_n＋1）代表著（x_n，y_n）貓映射后的新坐標(biāo)。解密算法則采用廣義貓映射的逆映射。

4  實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以在linuxFedora13操作系統(tǒng)下，H.264編碼器采用開源代碼x264,H.264解碼器采用開源代碼ffmpeg-O.6,測(cè)試序列采用的是akiyo_qcif.yuv,根據(jù)公式（2）要求，其相空間為{0,1,2，…，N—1}X{0,1,2,…,N~1},所以，用工具把a(bǔ)kiyo_qcif.yuv裁剪為y空間，大小為128X128，“、p空間都為64X64。設(shè)定x64幀率25f/s,碼率為256kb/s,幀數(shù)為300幀,a=l,b=19_a

原始視頻流可以直接由H.264編碼器編碼得到H.264視頻流，文件大小為316.5KB,編碼時(shí)間為5.497s。原始視頻流第一幀圖像y分量圖像如圖4所示。原始視頻流經(jīng)過加密后得到的H.264視頻流文件大小為316.5KB,編碼時(shí)間為5.5s,直接送入解碼器得到的第一幀了分量圖像如圖5所示，通過解密流程后的第一幀y分量圖像如圖6所示，當(dāng)參數(shù)失配時(shí)（如a=l,b=l）,則通過解密流程后的第一幀夕分量圖 

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，解密算法可以很好的解密原始圖像,在錯(cuò)誤密鑰的情況下（即參數(shù)失配的情況下），從圖7可以看出，不能正確解密原始圖像。從H.264文件大小上看，在相同碼流情況下，通過加密算法并沒有加大文件大小,從而保證了壓縮比。而且編碼時(shí)間接近，算法簡(jiǎn)單。但由于H.264編碼算法是基于消除空間相關(guān)性和時(shí)間相關(guān)性的算法,而貓映射打亂了原來圖像的時(shí)間和空間的相關(guān)性，因此，不可避免地會(huì)帶來圖像更大的失真。為了客觀地評(píng)價(jià)解密圖像的性能,設(shè)計(jì)引入了均方誤差MSE,定義如下：

式⑷中,p(x,y)代表原始圖像在(z,y)處的灰度值”(w)代表解密圖像在3以)處的灰度值,M,N代表圖像大小，對(duì)上述密鑰的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是：MSE⁼20。

5  結(jié)語(yǔ)

在信息高速流通的時(shí)代，不僅要大量存儲(chǔ)和傳輸圖像，而且往往要求在保證質(zhì)量和安全性的前提下，以較小的空間存儲(chǔ)圖像，并以較少的比特率傳輸圖像。本文將H.264協(xié)議和貓映射結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)視頻壓縮，不但可以實(shí)現(xiàn)視頻加密，而且加密算法十分簡(jiǎn)單。